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島津原子力顯微鏡-鋰電池隔膜觀測
島津原子力顯微鏡
鋰離子電池
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鋰電池的結(jié)構(gòu)由正極、負極、隔膜材料構(gòu)成。
對于隔膜而言，其作用是分隔正極和負極，避免內(nèi)部短路；同時，隔膜具有孔隙，可以吸附電解液使鋰離子在充放電過程中可以雙向通過。
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目前常用的隔膜材料是聚乙烯（PE）、聚丙烯（PP）或者兩者的混合物。制作工藝有干法和濕法兩種，制作過程又包括流延、拉伸、定型等步驟。工藝和過程都會影響隔膜的孔隙孔徑、孔隙率等。常用的觀測方法是掃描電鏡法，但是因為PE、PP都是絕緣材料，會形成嚴重的荷電效應，導致觀察圖像失真。因此，原子力顯微鏡非常合適的觀察工具。
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以上三張圖片是用原子力顯微鏡對不同制作工藝的隔膜材料進行成像的圖，范圍為5μm×5μm。因為原子力顯微鏡獲得的形貌圖像為三維圖像，因此隔膜多孔結(jié)構(gòu)可被很顯著的表現(xiàn)出來。
對于鋰電池隔膜，除了常溫下的孔隙結(jié)構(gòu)，還需要測試孔隙在不同溫度下的變化。因為當電池體系發(fā)生異常時，溫度升高，為防止產(chǎn)生危險，希望隔膜可以在快速產(chǎn)熱溫度(120～140℃)開始時，因熱塑性發(fā)生熔融，關(guān)閉微孔，隔絕正極與負極，防止電解質(zhì)通過，從而達到遮斷電流的目的。
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島津原子力顯微鏡具備完善的環(huán)境控制功能。使用樣品加熱單元從室溫梯度加熱到125°C和140°C，并觀察其表面形狀，范圍為5μm×5μm。隨著溫度的升高，可以看到由于隔膜熔化，孔隙逐漸收縮。對于該實驗，使用島津?qū)ｉT設計的環(huán)境控制艙既可以在真空環(huán)境下進行，也可以完全模擬鋰電池內(nèi)部的溫度/濕度/電化學環(huán)境進行。
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