電池技術是未來實現碳中和的關鍵。牛津儀器通過多樣化的分析和顯微鏡技術支撐電池研究和制造，包括解決基本電化學和材料難題、為電池正負極和電解質的質量控制提供工具等。我們提供電子顯微鏡、原子力顯微鏡、核磁共振、沉積和蝕刻設備以及科學相機系列的優質解決方案。
我們為多個領域提供支持：
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先進的表征技術可以對納米尺度材料進行量化洞察，對優化電池性能、提高容量、最大輸出和最小損耗的研究至關重要。牛津儀器納米分析工具可提供高端洞察，具體包括Ultim® Extreme EDS系統、 Cypher ES原子力顯微鏡等。牛津儀器與電池研究領域的團隊及行業團體合作，確保提供先進的應用需求。
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鋰離子電池的正極材料是由錳(LMO)、鈷(LCO)、鎳、鐵(LFP)、鈦(LTO)或鋁的鋰金屬氧化物制成的?；蚋鼮槌Ｒ娛菍⑷N金屬組合使用，如：鎳錳鈷(NMC)，鎳鈷鋁(NCA)。負極一般是由多孔碳或石墨制成的，其他替代材料，如正在研究中的石墨烯和硅可以作為單一材料或石墨的添加劑用以提高電池的容量。
在開發理想的正極或負極材料時，需要在電池成本、能量密度、功率密度、安全性和壽命之間達到平衡。通常，通過增加正極材料NMC中的鎳含量來改變化學計量比以提高能量密度。然而，成分的變化也會改變材料的結構和電性能。電子顯微鏡常用來確定這些結構-性能之間的關系。通過以足夠高的分辨率對正極和負極材料樣品成像，來檢測電池使用壽命中發生的變化，并形成材料均勻性的詳細視圖。研究人員可以將結構變化與電池的重要特性（如能量密度、功率密度、安全性和壽命）聯系起來。
鋰離子電池中使用的材料通常對高電子束劑量非常敏感，因此牛津儀器提供了一系列高靈敏性的探測器，允許在盡量小的電子束流下進行成分和結構測量。
很多前沿性的課題組都在使用牛津儀器的Ultim Max和Ultim Extreme系列能譜探測器和Symmetry EBSD探測器來研究：
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在鋰離子電池中，陰極和陽極通常由含有液體電解質的隔膜分離。另一方面，固體電解質正處于研發階段，其不但在安全性及能量密度方面進行了有意義的提升，同時也節約了成本。
液體電解質
最常用的液體電解質是鋰鹽溶液(LiPF6或LiBF4)中添加粘合劑和添加劑，粘合劑和添加劑的加入增加粘度并減少氣體逸散。液體電解質在充放電過程中會發生降解并釋放氣體，這會導致電池膨脹，同時某些反應產物還會導致電池腐蝕，如分解產物氫氟酸。
牛津儀器無制冷劑X-Pulse核磁共振系統是唯一能在一個系統中完成所有成分(1H，13C， 19F，7Li，31P，11B)測量的臺式核磁共振波譜儀。儀器不但能準確識別和量化HF和LiF等分解產物，同時還可測量擴散系數。
圖1(右): X-Pulse核磁共振系統能夠在現場條件下進行全電解液表征或質量控制。電解質LiPF6反應產物PF6的核磁譜圖。
固體電解質
人們研究了多種可作為鋰離子電池固體電解質的材料。這些材料可以使用金屬鋰做負極，比現有的電池更安全，潛在的能量密度更高。然而，鋰離子在固態電解液中的電導率通常低于液態電解質。通過能譜（EDS）獲得的Li元素面分布圖，可以提供有關材料結構以及任何有害枝晶形成的重要信息。與電導率測量相結合，可有效推動固態電解質性能的研究，并進一步促使全固態電池成為可能。Ultim Extreme能譜儀可以在足夠低的束流下檢測鋰元素，同時不會明顯改變樣品。
圖2：（左）采集前的固態石榴石電解質；（中）利用 Ultim Extreme在2.5k, 100pA條件下采集的元素面分布圖——確定了三種不同的含鋰相；（右）采集后相同的區域，幾乎無損傷
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我們以往對于電池的研究往往是在電池供電后再對電池的各部件進行分析，但是若能在電池工作時原位表征電池的結構和性質的話，則能獲取更有價值的信息。牛津儀器的快速掃描Cypher系列AFM可以專門定制化的用于在手套箱中的操作。Cypher還可以搭載電化學池，并由此在電池工作時直接對電極表面進行研究。由此可以對SEI膜的形成過程以及穩定性進行精確表征。
圖1：借助位于充有氬氣的手套箱中的Cypher ES系統進行LiO2 電池測試。(A) 裝在充有氬氣的手套箱中的Cypher ES照片；(B) 實驗中用到的電池以及密封樣品腔的示意圖。實驗中會有純氧氣通入AFM中，但是由于樣品腔是密閉的，所以氧氣并不會進入手套箱中。
牛津儀器的AFM具有多樣的功能模塊，可以在探究電池材料的結構的同時對其諸多功能特性進行表征。例如電化學應變顯微鏡（ESM）是Cypher™系列AFM的一項十分強大的功能，其可以在極高的分辨率下表征電化學活性以及固體間的離子流動。ESM的原理基于檢測材料對于通過具有電化學活性的探針而施加的電場的應變響應。鋰離子在鋰電池電極中的嵌入與抽離都會導致一定的體積變化。Cypher系列AFM具有極高的靈敏度，可以檢測到表面大約1 pm的形變，這大約等于LiCoO2等材料處于鋰化態時一個晶胞（材料的體積單元）的10%的形變量。
通過探針施加的電壓引發樣品中的離子運動，從而導致表面的形變。而Cypher系列AFM可以在納米尺寸下精確地對離子運動進行表征。典型的LixCoO2陰極材料的 C點陣參數的數值（垂直于層面的）和鋰化反應相關。而在鋰離子電池的工作區域中(從x = 1到x=0.5），晶格參數隨著x 而線性變化40pm左右。
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使用電動汽車時，充電時間是一個重要考量因素，即使性能極優的電動汽車也不比大多數內燃機汽車的續航里程。因此，升級電力電子技術十分關鍵?；谔蓟璧脑O備將極大推進快速充電市場的發展，實現更快速充電。
牛津儀器對于碳化硅器件制造解決方案有深刻理解，如原子層沉積、等離子體蝕刻和等離子體沉積等。等離子體工藝在碳化硅MOSFET幾個工藝步驟中起著重要作用：
鋰電池制造商及供應商都面臨一定挑戰，因為新技術需要迅速擴大規模進行批量生產。汽車、電子行業客戶希望產品壽命長、容量高、質量輕、成本低，因此原材料、電池組件和成品的特性十分重要。從原材料開采、組件質量控制，到電池故障分析，牛津儀器均可提供解決方案。
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對生產鋰離子電池所用材料的純度要求很高，需保證電池具有預期的性能和壽命，同時避免雜質金屬顆粒穿透隔膜而導致的危險。在整個制造過程中，對材料的質量控制和監控至關重要，因為即使是極少量的污染物也可能造成災難性后果。
AZtecBattery提供了一個全自動識別和表征粉末材料中的污染物的解決方案。了解污染源是消除污染并確保產品質量的第一步。
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核磁共振波譜能給出電解質材料中存在化學物質的詳細視圖。由于NMR固有的定量屬性，X-Pulse臺式核磁共振波譜儀非常適合LiPF6或LiBF4的快速分析和前驅鹽純度的測量。儀器運行無需制冷劑，是唯一能在一個系統中檢測1H，13C，19F，7Li，31P，11B等所有相關組成的臺式核磁共振系統。
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電池的質量和性能在很大程度上取決于所用的正負極材料。例如，由于硅的重量容量是石墨的10倍，因此石墨負極上常常摻有硅顆粒。然而，兩種材料的體積膨脹率差異會導致結構缺陷，從而對電池壽命產生負面影響。此外，硅添加劑有多種來源，有可能含有影響電池性能的其他痕量元素。圖1顯示了在掃描電子顯微鏡(SEM)下獲得的一個負極材料的能譜圖，該負極主要含有石墨（紅色），以及一定量的硅顆粒（淺藍色）。對其中一個硅顆粒進行成分分析顯示，與除部分碳 (C)元素外，也存在較高含量的其他元素，如氧 (O)、錫 (Sn)，以及微量的鋯 (Zr)元素（如表格所示）。
| C (Wt%) | Si (Wt%) | O (Wt%) | Sn (Wt%) | Zr (Wt%) | F (Wt%) | Na (Wt%) | |
| Si NP | 41.85 | 38.94 | 10.68 | 7.28 | 0.94 | 0.18 | 0.12 |
| Graphite | 99.30 | 0.05 | 0.33 | 0.17 | 0.16 |
在正極材料中，我們關注鈷和鎳的空間分布以及顆粒的總化學成分，因為顆粒表面的界面效應對電池壽命和衰減至關重要。在圖2中，我們展示了NCA正極的高分辨率EDS面分布圖，該圖清楚地顯示了鈷在顆粒表面以殼層的形式存在，這也可以通過繪制鎳和鈷含量的定量線掃描得到證實。
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納米分析技術在鋰電池領域的應用
近年來，受國家政策和行業影響，我國新能源行業發展迅猛，鋰電池作為儲能部件，更是其中重點關注對象。
針對該研究熱點，本次課程重點介紹牛津儀器納米分析設備在鋰離子電池各組件研發中的潛在應用，闡明了牛津儀器最新的EDS、EBSD、納米操縱手和AFM等設備的特點，著重講解這些設備在正極材料、負極材料、電解質和集流體等部件上的具體應用，對該領域的研究提供了強大的研發裝備。
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