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電池革命性地改變了電子世界，使我們能夠隨身攜帶能量存儲裝置。在電池研發領域中，微型化和化是兩個重要的概念，它們會作用于電池材料的性能、提升電池的使用極限。下面讓我們來看看研究人員是如何利用掃描電鏡（SEM）對電池材料進行表征并獲取相關信息的。

電池主要由三個部分組成：兩種由不同材料制成的電極和夾在它們中間的隔膜。由于兩種電極化學成分不同，它們可以發生化學反應，電能即可從隨后發生的氧化還原反應過程中釋放出來。即，儲存在電極中的化學能被轉換成電能，這一過程可以為電子設備供電。

通過數十年不斷地研發和技術突破，電池已經從早期又大又笨重的形態逐漸演變成了小到可以輕松塞進智能手表里。在長時間的演變進程中，電池的理論模型一直沒有發生任何變化，推動電池體積變小容量變大的核心因素是電池材料的革新。

電池的設計——要考慮什么？

在設計電池結構時，地把控和平衡電池體積和容量，使二者關系高度匹配勢必將大幅度提升產品力。研發過程中，一些比較常見且重要的參數如下：

• 額定電壓

代表電池可以輸出多大的電壓。例如汽車和手表需要的能量相差甚遠，要求的電池電壓也不盡相同，通過選用不同材質和類型的電極可以改變這一參數。

• 自放電率

電池不能永遠保持有電的狀態，即存儲在電池中的電能會隨時間逐漸減少，甚至流失。這在某些應用場景中或許可以接受，但是在另一些場景中，比如放在空調或電視遙控器中的電池掉電，就非常令人惱火，因為我們通常會間隔很久才會用一兩次這類遙控器。溫度也會很大程度上影響電池的自放電率，這就是手機電池在冬天掉電很快的原因。

• 充/放電循環

對于可充電電池來講，充電和放電的過程通常進行得比較頻繁，充放電循環次數的增多會逐漸損壞電池的內部結構（特別是電極），導致電池容量隨使用時間的增多而逐漸減少。對電極材料的形狀和成分進行優化可以改善這一現象，甚至可以得到經過數千次循環還能保持90%額定容量的電池。

• 能量密度

這一概念代表單位體積可容納的電能，通過對電極成分進行改良可以提升能量密度；除此之外，改變電極形狀，增加兩個電極可以發生有效化學反應的面積，從而優化空間利用效率也是一種經常被用于提升能量密度的手段。另外，大幅度減小電池組件的尺寸也是電池越來越小的原因之一。

• 安全

減小電池元件尺寸有一定概率導致電極絕緣性的下降，這有可能會引發一些風險，比如電池發熱甚至爆炸（你可能還記得不久前一些智能手機廠商就在這個問題上苦苦掙扎）。當電池隔膜在應力作用下破裂，就非常容易發生這樣的危險。

利用掃描電鏡提高電池質量

上述參數均可以和電池材料的成分和形貌起來，通過選用合適的分析設備，對這些參數實行控制會變得異常容易。

圖1：左圖為鋰電池正極的掃描電鏡（SEM）圖像，右圖為鋰電池負極的掃描電鏡（SEM）圖像。掃描電鏡（SEM）是研究微米或納米級小顆粒的理想工具。

掃描電鏡（SEM）可以輕松將樣品放大幾萬倍，使得幾個納米的細微結構都清晰可見，這無疑為研究人員改善提升電池的質量提供了強有力的幫助。借助掃描電鏡可以輕松完成樣品層間距的測量以及電極有效接觸區域上細微結構的觀測。

此外，通過在隔膜上施加熱應力和機械應力，并在顯微級別實時觀察隔膜材料在這些外力下的行為，從而幫助研究人員更好的認識隔膜材料破裂失效的機制，并提出改進方案。

飛納臺式電鏡能譜一體機用于準確識別樣品上微區化學成分，具有出色的微納米級別空間分辨率。分析過程只需要幾秒鐘！

圖2：如何使用 EDS 來檢測樣品成分的變化。點掃描、線掃描或面掃描可用于分析樣品不同位置的成分變化或波動。