有媒體報道，到了2050年，隨著全球氣候變暖，世界上大部分城市將因為太熱而不能舉辦奧運會。
氣候問題嚴峻。怎么辦？
全世界都在尋求答案。
推動能源和交通綠色轉(zhuǎn)型，是全面綠色轉(zhuǎn)型的重要部分，也是關(guān)乎生存和發(fā)展的重大課題。而作為推動轉(zhuǎn)型關(guān)鍵的新能源電池，也進入了新的發(fā)展階段。鋰離子電池行業(yè)必須邁進“高標準”發(fā)展階段。這對鋰離子電池的性能和安全性提出了前所未有的挑戰(zhàn)。
對鋰離子電池的失效進行深入分析，既是提高電池性能的必要手段，也是保障用戶安全的重要措施。鋰離子電池的失效主要可分為兩類：性能失效和安全性失效。性能失效指的是鋰電池的性能達不到使用要求和相關(guān)指標，主要有容量衰減或跳水、循環(huán)壽命短、倍率性能差、一致性差、易自放電、高低溫性能衰減等；安全性失效指的是鋰電池由于使用不當(dāng)或者濫用，出現(xiàn)的具有一定安全風(fēng)險的失效，主要有熱失控、脹氣、漏液、析鋰、短路、膨脹形變等。
在新能源汽車用戶的反饋中，車輛續(xù)航里程縮水是投訴的“重災(zāi)區(qū)”
令人擔(dān)憂的鋰離子電池安全問題層出不窮
在《中國制造2025》中，提出了能量型鋰電池比能量需超過300W·h/kg，功率型鋰電池比功率需超過4000W/kg的發(fā)展目標。為滿足市場需求，提高電池性能與安全性，縮短新體系研發(fā)周期，開展鋰電池失效分析顯得尤為重要。鋰離子電池的失效分析涵蓋多個方面，包括性能失效與安全性失效的分類及其原因的深入探討。為提升鋰離子電池的整體性能與安全性，建議在電池設(shè)計、材料選擇、制造工藝及使用管理等環(huán)節(jié)加強控制與優(yōu)化。同時，針對已發(fā)生的失效現(xiàn)象，開展更系統(tǒng)的研究，將推動鋰離子電池技術(shù)的進步，滿足現(xiàn)代社會對高性能與安全性電池的需求。失效不僅是失效原因的最終體現(xiàn)，也是失效原因在一定時間內(nèi)疊加形成的結(jié)果。失效分析的一項重要任務(wù)是準確判斷失效原因。
常見的鋰電池失效原因包括活性物質(zhì)結(jié)構(gòu)變化、相變、活性顆粒裂紋或破碎、過渡金屬溶出、體積膨脹、固體電解質(zhì)界面膜（SEI）過度生長、SEI分解、鋰枝晶生長、電解液分解或失效、電解液不足、電解液添加劑不匹配、集流體腐蝕或溶解、導(dǎo)電劑失效、膠黏劑失效、隔膜老化、隔膜孔隙阻塞、金屬異物溶解析出、電芯設(shè)計異常及分容老化過程異常等。
失效分析分為兩個方向: 其一為基于鋰電池失效的診斷分析, 是以失效為出發(fā)點, 追溯到電池材料的失效機理, 以達到分析失效原因的目的; 其二為基于累積失效原因數(shù)據(jù)庫的機理探索分析, 是以設(shè)計材料的失效點為出發(fā)點, 探究鋰電池失效發(fā)生過程的各類影響因素, 以達到預(yù)防為主的目的。
鋰離子電池自放電之內(nèi)短路失效故障樹
鋰電池的衰減是從材料開始的，因此對于鋰離子電池的衰減機理研究，需要分離出電芯中每一組分的具體改變，從基礎(chǔ)原材料層面進行分析表征，表征其在循環(huán)過程中的變化，再與宏觀的電池性能建立起對應(yīng)的聯(lián)系，從而深入理解電芯失效的機理。而對于材料的分析，首先從電池組成的主材，陰極，陽極，電解液開始。以陰極為例，從組成陰極的活性物質(zhì)材料的原子級別逐層上升至極片水平表征，對參數(shù)如晶體結(jié)構(gòu)，比表面積，極片壓實密度，Coating重量，Binder含量進行詳細系統(tǒng)的考察。對于不同層級的不同參數(shù)的表征需要涉及到不同的表征方法，如果要得到全面的準確的信息，需要將各表征結(jié)果結(jié)合起來，作為一個系統(tǒng)進行分析。其中，需要一套完整的電池樣品處理和圖像采集方案來解決這些鋰離子電池失效分析中成像表征遇到的困難。
為了進一步厘清鋰離子電池失效分析的一些關(guān)鍵問題，賽默飛世爾科技攜手儀器信息網(wǎng)將于2024年11月13日（14:00-16:20）舉辦“先進表征分析技術(shù)助力鋰離子電池失效分析研討會”（線上直播），本次大會邀請了賽默飛世爾科技清潔能源市場和業(yè)務(wù)開發(fā)總監(jiān)Brandon Van Leer和中國區(qū)業(yè)務(wù)拓展領(lǐng)導(dǎo)吳偉致辭，并邀請中科院物理所王雪鋒研究員、工業(yè)界資深專家曹福彪，賽默飛世爾科技清潔能源市場和業(yè)務(wù)開發(fā)總監(jiān)Brandon Van Leer，以及賽默飛業(yè)務(wù)拓展經(jīng)理孫秀榮和市場應(yīng)用開發(fā)經(jīng)理郝維慧進行4場專題報告。
王雪鋒
中國科學(xué)院物理研究所特聘研究員、
博士生導(dǎo)師
冷凍電鏡技術(shù)分析鋰離子電池失效機制
專家簡介
主要從事高能量密度二次電池(鋰離子電池、金屬鋰電池和全固態(tài)電池等)關(guān)鍵材料結(jié)構(gòu)和界面表征、機理研究和失效分析，尤其擅長采用冷凍電鏡技術(shù)研究輻照敏感材料。至今已在Nature、Nature Materials、Chemical Reviews、Joule、Energy & Environmental Science、Journal of American Chemical Society、Nano Letter、Nano Energy等國際知名學(xué)術(shù)期刊上發(fā)表學(xué)術(shù)論文70余篇，引用5000余次。
代表性成果包括
在國際上率先將結(jié)構(gòu)生物領(lǐng)域中的冷凍電鏡技術(shù)引入到二次電池領(lǐng)域，研究了輻照敏感的電池材料及其界面的微觀結(jié)構(gòu)，尤其是備受關(guān)注的石墨、硅和金屬鋰負極，從而成功地聯(lián)接了結(jié)構(gòu)修飾、性能改善和條件控制等環(huán)節(jié)；
結(jié)合化學(xué)滴定和氣相質(zhì)譜，開發(fā)了準確區(qū)分和定量活性/非活性金屬鋰和鋰-硅合金，揭示了固體電解質(zhì)界面SEI膜的結(jié)構(gòu)、成分、演變及其與活性物質(zhì)的相互作用，并提出界面改性等策略以提高金屬鋰和鋰-硅合金的電化學(xué)可逆性；
采用多種表征手段解析全固態(tài)電池的界面問題，分析了復(fù)雜界面對電荷轉(zhuǎn)移、離子輸運、機械性能、安全性能和電化學(xué)性能的影響，指出界面調(diào)控和修飾是提高全固態(tài)電池性能的關(guān)鍵。
Brandon Van Leer
賽默飛世爾科技清潔能源市場和業(yè)務(wù)開發(fā)總監(jiān)
成像分析表征技術(shù)在鋰離子電池失效分析中的應(yīng)用
Understanding battery failures with optimized imaging and analysis techniques
專家簡介
Brandon 的專業(yè)背景主要集中在材料表征以及電子材料和聚合物的開發(fā)領(lǐng)域。他在各種分析技術(shù)方面擁有超過二十七年的豐富經(jīng)驗，并且在掃描電子顯微鏡（SEM）和聚焦離子束（FIB）研究方面有超過二十年的深入探索。Brandon目前專注于惰性氣體樣品轉(zhuǎn)移工作流程和冷凍等離子體聚焦離子束-掃描電子顯微鏡（PFIB）在空氣敏感和電子束輻照敏感材料中的應(yīng)用。同時，他也是 MSA、MRS 和 IEEE 的成員。
內(nèi)容前瞻
鋰離子電池的失效分析過程以鋰電池失效為出發(fā)點，根據(jù)電池的失效現(xiàn)象，對電池進行電池外觀檢測、電池?zé)o損檢測、電池有損檢測以及綜合分析。所謂電池有損檢測是指通過電池拆解、極片觀察及材料測試分析來確定正負極片、活性材料以及隔膜等因素在電池失效中的作用。采用多模式、多尺度成像技術(shù)準確表征失效電池材料和極片對于電池失效分析不可或缺，而其中：
準確定位電芯失效位點，對其內(nèi)部從二維到三維，從極片尺度到原子尺度的結(jié)構(gòu)信息進行深入解析；
在本真狀態(tài)下對失效電池的極片和材料尺度的結(jié)構(gòu)信息進行表征；
獲得具有統(tǒng)計意義的結(jié)構(gòu)信息量化結(jié)果，實現(xiàn)從圖像到數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)化。
是電池工作者對電池進行失效機制的分析中遇到的挑戰(zhàn)。賽默飛致力于提供全面的鋰離子電池成像和表征解決方案是學(xué)術(shù)界和工業(yè)領(lǐng)域開發(fā)更優(yōu)電池的無可替代的工具。
曹福彪
鋰電工業(yè)專家
鋰離子電池失效分析流程及常見失效模式解析
專家簡介
擁有多年在消費、動力和儲能電池研發(fā)與管理方面的豐富經(jīng)驗，曾在多家主流新能源電池企業(yè)及主機廠擔(dān)任資深工程師、研發(fā)經(jīng)理、總監(jiān)、大區(qū)經(jīng)理等職務(wù)，并主持和參與了多項國家及省部級電池研究項目。具備插電式混合動力、純電動、儲能電池及消費電池的全面研發(fā)和量產(chǎn)導(dǎo)入經(jīng)驗。成功開發(fā)了國內(nèi)首款量產(chǎn)三元42Ah PHEV2動力電池、超高速疊片全系三元鐵鋰電池、超快速5C動力電池，以及能量密度高達360Wh/kg的車用量產(chǎn)半固態(tài)電池和快充電池，其快充速度可達到6C。所領(lǐng)導(dǎo)開發(fā)的電池產(chǎn)品已廣泛應(yīng)用于蘋果、寶馬、長城、吉利、蔚來以及國內(nèi)大型儲能客戶。
內(nèi)容前瞻
失效現(xiàn)象的范圍通常會與失效模式的范圍有所重疊。失效現(xiàn)象更側(cè)重于對具體現(xiàn)象的直接描述，屬于對失效過程的信息收集和記錄；而失效模式則通常被理解為失效的性質(zhì)和類型，是對失效的一種歸類和劃分。鋰電池的失效現(xiàn)象是電池失效表現(xiàn)的一個重要集合，對其進行準確的定義和分類是十分必要的。這不僅有助于更好地理解電池失效的根本原因，還能為改進電池設(shè)計和提高其可靠性提供重要依據(jù)。
在鋰電池的失效分析中，常見的失效現(xiàn)象包括但不限于容量衰減、內(nèi)阻增加、熱失控、短路和電解液降解等。這些現(xiàn)象的背后，往往隱藏著復(fù)雜的物理和化學(xué)變化。例如，容量衰減可能與電極材料的循環(huán)穩(wěn)定性有關(guān)，而內(nèi)阻增加則可能是由于電解液的分解或電極表面形成了不導(dǎo)電的固體電解質(zhì)界面膜（SEI）。熱失控現(xiàn)象則可能源于電池內(nèi)部的局部短路或外部環(huán)境溫度過高，導(dǎo)致電池材料發(fā)生劇烈的放熱反應(yīng)。
通過對這些失效現(xiàn)象的深入研究，能夠揭示出鋰電池在實際應(yīng)用中的潛在風(fēng)險和性能瓶頸。這就需要運用多種先進的分析技術(shù)，如掃描電子顯微鏡（SEM）、透射電子顯微鏡（TEM）、X射線衍射（XRD）和電化學(xué)阻抗譜（EIS）等。這些技術(shù)可以提供關(guān)于電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)變化、材料相變、電化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)等方面的詳細信息，從而幫助研究人員更準確地識別和定位失效原因。
孫秀榮
賽默飛世爾科技業(yè)務(wù)拓展經(jīng)理
郝維慧
賽默飛世爾科技清潔能源應(yīng)用市場開發(fā)經(jīng)理
掃描電鏡和雙束電鏡助力鋰離子電池失效分析
專家簡介
孫秀榮，畢業(yè)于北京科技大學(xué)材料學(xué)專業(yè)，研究課題專注于金屬材料相關(guān)。擁有近10年的電鏡相關(guān)使用經(jīng)驗（SEM/SDB、EDS、EBSD、CP等），擅長材料微觀形貌、成分、結(jié)構(gòu)表征分析，對各種類型樣品的表征分析具有豐富的經(jīng)驗和心得，目前主要從事掃描電鏡和雙束電鏡的市場拓展工作。
郝維慧，于2016年在中南大學(xué)獲得材料科學(xué)碩士學(xué)位，并在同一所大學(xué)獲得了學(xué)士學(xué)位。在鋰離子電池行業(yè)的材料表征和失效分析方面擁有豐富的經(jīng)驗，曾在全球領(lǐng)先的公司鋰電公司和消費類電子產(chǎn)品公司擔(dān)任材料分析和失效分析工程師。對于成像表征技術(shù)，如TEM、FIB-SEM、SEM和CT，在電池的研究、質(zhì)量控制和失效分析應(yīng)用有豐富的經(jīng)驗和深入的理解。
內(nèi)容前瞻
從材料制備到產(chǎn)品使用的過程充滿著可變性、復(fù)雜性， 因此對鋰電池失效分析不能僅局限于電池關(guān)鍵材料的失效，同時要對材料結(jié)構(gòu)、電極結(jié)構(gòu)、制造流程和失效表現(xiàn)等進行綜合考慮。賽默飛的掃描電鏡和雙束電鏡技術(shù)在原材料質(zhì)控和工藝過程監(jiān)控及成品失效分析中提供了多種成像分析表征方案。
“工欲善其事，必先利其器”。將鋰電池失效分析之邏輯與電子顯微鏡表征技術(shù)相結(jié)合，必能激發(fā)新的火花。此結(jié)合不僅可深入揭示電池材料與結(jié)構(gòu)之退化機制，亦能為優(yōu)化電池設(shè)計與制造工藝提供珍貴見解，從而提升電池之性能與可靠性。
卻顧所來徑，蒼蒼橫翠微。
歷史表明，每一次電鏡技術(shù)的發(fā)展，都為某個研究領(lǐng)域帶來一次深刻的變革。也注定了要為鋰離子電池的發(fā)展開啟新的窗戶。
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