導讀
根據全國乘用車市場信息聯席會公布的數據：2022年新能源汽車累計銷量為567.4萬輛，同比增長90%，滲透率達27.6%. 然而，不容忽視的是，隨著新能源車的熱銷，更多的安全事故也隨之而來。根據應急管理部門公布的數據，一季度新能源汽車火災數量比去年同期上升32%。電動車安全事故為何屢見報端？正確的使用和充電方式固然十分重要，而電池本身的安全性能也非常關鍵。每一塊電池的出廠都會經過嚴格的檢測，對電池的關鍵組成材料正極、負極、隔膜和電解液等更是格外關注。
那么，當一顆正極材料踏進了Shimadzu實驗室，等待它的會是什么？別擔心，不會損傷一星半點，我們會將里里外外、來龍去脈查得清清楚楚。今天，我們將跟著鋰電池正極材料一探究竟！
正極路線熒光鑒 – EDX
圖1. 能量色散型X射線熒光光譜儀 EDX-7200
圖2. 鎳鈷錳三元正極材料的EDX測試結果
圖3. 磷酸鐵鋰正極材料的EDX測試結果
圖4. 磷酸鐵錳鋰正極材料的EDX測試結果
這只“電飯煲”全名能量色散型X射線熒光光譜儀，簡稱EDX，能快速給出樣品的元素組成，而且完全無損。因此，在進去煮了一分鐘，正極材料毫發無傷地出來了。EDX不僅能快速區分正極材料是鈷酸鋰、鎳鈷錳三元、磷酸鐵鋰、還是磷酸鐵錳鋰，還可以進行準確地定量分析。
不過，它只能鑒別元素種類，不能分辨元素價態結構，雖然檢測到含有Ni、Co、Mn元素，但不明確存在形式。
別擔心，在大咖云集的Shimadzu實驗室，“這都不是事兒！”
表1. 能量色散型X射線熒光定量分析正極材料準確度（單位:%）
層狀結構衍射瞧 - XRD
圖5. X射線衍射儀 XRD-7000
從EDX中出來，正極材料又被請進了一扇更大的門里，一頓操作后，顯示屏上給出了答案——原來這是高鎳三元正極材料。
圖6. LiNiO2和LiNiyMnyCo1-2yO2等的層狀結構圖
（圖片引自M. Stanley Whittingham. Chemical Reviews, 104(2004) 4271-4301）
這一結論，由X射線衍射儀（簡稱XRD）給出，它通過X射線在材料晶層間的衍射，來了解樣品的物相結構。圖7中的測試結果顯示樣品與鎳酸鋰的晶體結構類似，具有α-NaFeO2型層狀結構（R-3m空間群），再結合EDX所給出的元素比例，可以確定這款正極材料為811系的高鎳三元正極材料（811指的是鎳、鈷、錳三種元素的比例）。其實2022年是高鎳元年，市場上很多材料中鎳的占比更高于它。
圖7. 三元正極材料的XRD-7000測試結果
圖8. 磷酸鐵鋰正極材料的XRD-7000測試結果
打回原形微區探 - EPMA
圖9. 電子探針顯微分析儀 EPMA-8050G
看到毫發無損也能得到這樣的結果，正極材料很滿意，正要四處轉轉，又被拉到一個大家伙面前。裹上一層導電膠離子研磨后，再被送入一個大腔體。在這里密密麻麻的探頭對著它，束流打上來也不似前兩次那樣完全無感，不過仍然在接受范圍內。這是電子探針顯微分析儀（簡稱EPMA）。
圖10. EPMA測試的正極材料形貌圖
大束流的威力不可擋，正極材料在這里被打回了原形——分別在6000倍和20000倍下得到的圖像顯示，它是直徑10~20um的球形顆粒，由納米級的一次顆粒團簇而成。
對單顆粒的面分布分析顯示，顆粒中心鎳含量高，邊緣鎳含量低，是一種呈濃度梯度的三元材料。摻雜的Al元素在大束流的照射下也清晰地顯現，均勻的摻雜效果預示著這是一顆高質量正極材料。
圖11. EPMA測試的正極材料面分布與線分布結果
高真空下終過招 – XPS
圖12. X射線光電子能譜儀 AXIS Supra+
鑒別結果讓這顆正極材料正自洋洋得意，最后一項上機也安排上了。這次經過了多級真空，來到了10-8帕。高真空下，AlAg雙陽極被電子束激發出單色X射線打在正極顆粒上，俄歇、熒光現象精彩紛呈，高分辨能量檢測器眼疾手快地捕獲光電子，鑒別出Ni、Co、Mn、Li、C和O元素。再通過精細譜分析，得到了主要元素的化學狀態，如圖13。
圖13. XPS測試正極材料譜圖
Shimadzu實驗室大咖云集
一頓眼花繚亂的操作，將該正極材料剖析得明明白白。在裝備齊全的Shimadzu實驗室，從無機到有機、從元素到價態、從形貌到物相，各種檢測儀器應有盡有。自然，對正極材料的評價儀器還遠不止剛剛體驗過的這些，例如SALD-2300細數顆粒的粒度和粒形、ICPE-9820和ICP-MS準確定量對元素雜質進行分析，還有微小力壓縮試驗機MCT，明察秋毫小顆粒的抗壓能力……可謂一顆正極材料只要踏進實驗室，多方位檢測能夠將它鑒定得清清楚楚。畢竟，正極材料的性能過硬是電池性能和安全性的重要保障，來不得絲毫大意。
圖14. Shimadzu實驗室本次出場代表展示
結語
迄今為止，諸多正極材料都已到訪Shimadzu實驗室，多位實驗室代表（儀器）也已入駐各大電池材料和電池企業，借準確檢測助力鋰電產業的蓬勃發展，更以客觀穩定的數據守護行業的前行方向！
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