LIBS 在鋰電池的應用

如何加速鋰電池製程的研發、品管及分析效率

作者利泓科技技術專員 廖婉婷
日期2021-11-09

此篇文章想讓你知道的是

  • LIBS 在鋰電池製程技術優勢

  • LIBS 應用在鋰電池的製程部分

  • LIBS 在鋰電池實際應用案例

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雷射誘導剝蝕光譜儀 LIBS 精準分析原材料與組件化學特性,

是建立高效能及高轉化率電池材料的優勢

LIBS應用在鋰電池製程線上線下分析_利泓科技

Applied Spectra 的 J200 LIBS 雷射剝蝕元素分析技術,適用於鋰電池製程線上(inline/online)或線下(offline)的研發及品管製程環境,讓產品品管分析簡單且快速。

LIBS 有什麼特別之處?

Applied Spectra J200 LIBS 使用先進固態雷射提供靈敏的元素分析技術,直接上樣進行主要元素組成分析和雜質檢測。相較其他常見分析技術如 XRF,ICP-OES,SEM-EDS 及 GD-MS 設備,其優勢如下:

  1. 可分析輕元素及有機元素如 F、H(黏合劑)、C(電極)、O 、Si(固態電解質)
  2. 不需酸消化前處理,樣品直接上機分析
  3. 數秒完成全光譜分析
  4. 具深層剖面,分層分析能力
  5. 提供元素 3D 空間分佈及 mapping 資訊
  6. 支援市售任何廠牌 ICPMS 串聯,一機得到光譜及質譜分析結果(濃度 ppb-%)
  7. 無需真空,在一般大氣環境下分析
  8. 儀器維護費用降低

J200 LIBS 高功率的雷射提升元素激發效率,過程快速且不產生額外廢料,絕對是縮短研發時程,提高產量、節省時間和運營成本的關鍵因素。

LIBS 可以應用在鋰電池製程的哪個部分?

從原材料,鋰電池部件如含塗層電極,隔離器,延伸到全電池芯分析,J200 LIBS 都可以進行化學特性分析,為產線產品品質把關。

LIBS在鋰電池電極隔離器固態電解質的應用_利泓科技

在鋰電池的生產步驟中,J200 LIBS 可以提供黏合劑,導電劑及活性材料在大面積電極中的分佈變化以外,亦可提供矽基負極(Anode)中矽分散作用及預鋰化(pre-lithiation)均質度的關鍵性數據。

LIBS應用在鋰電池芯正極負極材料分析_利泓科技

以下是 LIBS 實際應用的例子: 

矽基負極 Anode 活性材料
正極 Cathode 活性材料 LCO 的 3D mapping 深度剖面分析

矽基負極的製造涉及預鋰化 (pre-lithiation) 步驟,用以保持能量密度目標並解決第一次充電循環期間鋰的自然損失。因此了解預鋰化的 Li (鋰,Lithium)元素均質性非常重要,而 LIBS 亦能直觀反映出元素在樣品中的變化。

藉由觀測 Na (鈉,Sodium) 即可追蹤CMC 黏合劑的分佈,確保電極的良好完整性。透過空間 mapping 可以研究和理解矽在電極中的分散作用。

以下是 LIBS 實際應用的例子:  矽基負極 Anode 活性材料 正極 Cathode 活性材料 LCO 的 3D mapping 深度剖面分析 矽基負極的製造涉及預鋰化 (pre-lithiation) 步驟,用以保持能量密度目標並解決第一次充電循環期間鋰的自然損失。因此了解預鋰化的 Li (鋰,Lithium)元素均質性非常重要,而 LIBS 亦能直觀反映出元素在樣品中的變化。 藉由觀測 Na (鈉,Sodium) 即可追蹤CMC 黏合劑的分佈,確保電極的良好完整性。透過空間 mapping 可以研究和理解矽在電極中的分散作用。

正極 Cathode 活性材料-LCO
LCO 電極與 PVDF 黏合劑的 3D mapping 分析

PVDF 聚二氟亞乙烯 (Polyvinylidene Fluoride) 是鋰電池中常用的黏合劑之一。透過追蹤 F (氟,Fluorine) 的分佈,可觀測 PVDF 黏合劑在電極中的分佈狀況。然而 F 因為具有高電離能,一直是傳統分析技術 (包括 ICP 技術) 難以分析的元素。

正極 Cathode 活性材料-LCO LCO 電極與 PVDF 黏合劑的 3D mapping 分析 PVDF 聚二氟亞乙烯 (Polyvinylidene Fluoride) 是鋰電池中常用的黏合劑之一。透過追蹤 F (氟,Fluorine) 的分佈,可觀測 PVDF 黏合劑在電極中的分佈狀況。然而 F 因為具有高電離能,一直是傳統分析技術 (包括 ICP 技術) 難以分析的元素。

固態電池芯單元
深度剖面分析,快速品管應用

LIBS 直接分析電池芯,分析結果如下圖:
右邊的光譜圖譜顯示經過不同次數的雷射剝蝕後電池芯中的各種元素分佈,左邊是相對應的電池芯單元層。

LIBS剖析鋰電池結構_利泓科技
LIBS-提供鋰電池元素深度分佈3D分析結果_利泓科技

元素在電池中各層深度的剖析結果,對於測定鋰電池故障模式,判定固態電池結構的門檻提供有用的參考依據。

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