鋰電池作為新能源被廣泛應用于電子產品和汽車。近年來，國家對新能源產業(yè)大力扶持，國內外許多相關的企業(yè)和研究所加大投入，不斷研究新材料提高鋰電池的各方面性能。而鋰電材料及相關的全電池、半電池、電池組被投產應用之前需要經過一系列的檢測。下面就由我總結一下鋰電材料常用的幾種測試手段。

　　1.掃描電鏡（SEM）

　　由于電池材料的觀察尺度在亞微米即幾百納米到幾微米的范圍，普通光學顯微鏡無法滿足觀察的需求，而更高放大倍數的電子顯微鏡則經常被用來觀察電池材料。

　　掃描電子顯微鏡（SEM）是1965年發(fā)明的較現(xiàn)代的細胞生物學研究工具，主要是利用二次電子信號成像來觀察樣品的表面形態(tài)，即用極狹窄的電子束去掃描樣品，通過電子束與樣品的相互作用產生各種效應，其中主要是樣品的二次電子發(fā)射。掃描電子顯微鏡可以觀察到鋰電材料的粒徑大小和均勻程度，以及納米材料自身的特殊形貌，甚至通過觀察材料在循環(huán)過程中發(fā)生的形變我們可以判斷其對應的循環(huán)保持能力好壞。如圖1b所示，二氧化鈦纖維具有的特殊網狀結構能提供良好的電化學性能。

　　1.1SEM掃描電鏡原理：

　　如圖1a所示，SEM是利用電子束轟擊樣品表面，引起二次電子等信號的發(fā)射，主要利用SE并放大、傳遞SE所攜帶的信息，按時間序列逐點成像，顯像管上成像。

　　1.2掃描電鏡的特點：

　?、艌D象立體感強、可觀察一定厚度的樣

　?、茦悠分苽浜唵?，可觀察較大的樣

　　⑶分辨率較高，30~40？

　?、缺堵蔬B續(xù)可變，從4倍~~15萬

　?、煽膳涓郊M行微區(qū)的定量、定性分析

　　1.3觀察對象：

　　粉末、顆粒、塊狀材料都可以測試，測試前除保持干燥外，不需要特殊處理。主要用于觀察樣品的表面形貌、割裂面結構、管腔內表面的結構等?？芍庇^反應材料的粒徑尺寸特殊結構及分布情況。

　　2.TEM透射電子顯微鏡

　　2.1原理：

　　主要利用入射電子束穿過樣品，產生攜帶樣品橫截面內部的電子信號，并經多級磁透鏡的放大后成像于熒光板，整幅像同時成立。

　　2.2特點：

　　⑴樣品超薄，h<1000？

　　⑵二維平面像，立體感差

　　⑶分辨率高，優(yōu)于2？

　?、葮悠分苽鋸碗s

　　2.3觀察對象：

　　在溶液中分散的納米級材料，使用前需要滴在銅網上，提前制備并保持干燥。主要觀察樣品內部超微結構，HRTEM高分辨透射電鏡可以觀察到材料對應的晶格和晶面。如圖2b所示，觀察二維平面結構具有更好的效果，相對于SEM的立體感差，但可以具有更高的分辨率，觀察到更細微的部分，，特殊的HRTEM甚至可以觀察到材料的晶面和晶格等信息。

　　3.材料晶體結構測試：（XRD）X射線衍射儀技術

　　X射線衍射儀技術(X-raydiffraction，XRD)。通過對材料進行X射線衍射，分析其衍射圖譜，獲得材料的成分、材料內部原子或分子的結構或形態(tài)等信息的研究手段。X射線衍射分析法是研究物質的物相和晶體結構的主要方法。當某物質(晶體或非晶體)進行衍射分析時，該物質被X射線照射產生不同程度的衍射現(xiàn)象，物質組成、晶型、分子內成鍵方式、分子的構型、構象等決定該物質產生特有的衍射圖譜。X射線衍射方法具有不損傷樣品、無污染、快捷、測量精度高、能得到有關晶體完整性的大量信息等優(yōu)點。因此，X射線衍射分析法作為材料結構和成分分析的一種現(xiàn)代科學方法，已逐步在各學科研究和生產中廣泛應用。

　　3.1XRD原理：

　　X射線衍射作為一電磁波投射到晶體中時，會受到晶體中原子的散射，而散射波就像從原子中心發(fā)出，每個原子中心發(fā)出的散射波類似于源球面波。由于原子在晶體中是周期排列的，這些散射球波之間存在固定的相位關系，會導致在某些散射方向的球面波相互加強，而在某些方向上相互抵消，從而出現(xiàn)衍射現(xiàn)象。每種晶體內部的原子排列方式是唯一的，因此對應的衍射花樣是唯一的，類似于人的指紋，因此可以進行物相分析。其中，衍射花樣中衍射線的分布規(guī)律是由晶胞的大小、形狀和位向決定。衍射線的強度是由原子的種類和它們在晶胞中的位置決定。通過布拉格方程：2dsinθ=nλ，我們可以獲得不同材料通過使用固定靶材激發(fā)的X射線在特殊θ角位置產生特征信號，即PDF卡片上標注的特征峰。

　　3.2XRD測試特點：

　　XRD衍射儀的適用性很廣，通常用于測量粉末、單晶或多晶體等塊體材料，并擁有檢測快速、操作簡單、數據處理方便等優(yōu)點，是一個標標準準的“良心產品”。不僅僅可用于檢測鋰電材料，大部分晶體材料都可以采用XRD測試其特定的晶型。圖3a為鋰電材料Co3O4所對應的XRD光譜，圖上根據對應的PDF卡片標注了該材料的晶面信息。該圖黑色對應塊體材料結晶峰窄且高度明顯，說明其結晶性很好。

　　3.3測試對象及樣品準備要求：

　　粉末樣品或表面平整的塊狀樣品。粉末樣品要求磨勻，樣品表面要鋪平，減小測量樣品的應力影響。

　　4.電化學性能（CV）循環(huán)伏安法和循環(huán)充放電

　　鋰電池材料屬于電化學范圍，因而對應的一系列電化學測試必不可少。

　　CV測試：一種常用的電化學研究方法。該法控制電極電勢以不同的速率，隨時間以三角波形一次或多次反復掃描，電勢范圍是使電極上能交替發(fā)生不同的還原和氧化反應，并記錄電流-電勢曲線。根據曲線形狀可以判斷電極反應的可逆程度，中間體、相界吸附或新相形成的可能性，以及偶聯(lián)化學反應的性質等。常用來測量電極反應參數，判斷其控制步驟和反應機理，并觀察整個電勢掃描范圍內可發(fā)生哪些反應，及其性質如何。對于一個新的電化學體系，首選的研究方法往往就是循環(huán)伏安法，可稱之為“電化學的譜圖”。本法除了使用汞電極外，還可以用鉑、金、玻璃碳、碳纖維微電極以及化學修飾電極等。

　　循環(huán)伏安法是一種很有用的電化學研究方法，可用于電極反應的性質、機理和電極過程動力學參數的研究。對于一個新的電化學體系，首選的研究方法往往是循環(huán)伏安法。由于受影響因素較多，該法一般用于定性分析，很少用于定量分析。

　　恒電流循環(huán)充放電測試：鋰電材料組裝成相應的電池之后，需要進行充放電進行循環(huán)性能的測試。充放電過程經常采用恒電流充放電的方式，以固定電流密度進行放電和充電，限制電壓或比容量的條件，進行循環(huán)測試。實驗室常用的有武漢藍電和深圳新威兩種測試儀，設置簡單的程序后，即可測試電池的循環(huán)性能。圖4b為一組鋰電材料組裝電池后的循環(huán)圖，我們可以看到黑色bulk材料對應可以循環(huán)60圈，紅色NS材料可循環(huán)超過150圈。

　　小結：鋰電池材料的測試技術有很多，最為常見的有上述的SEM，TEM，XRD，CV和循環(huán)測試等。另外還有拉曼光譜（Raman），紅外光譜（FTIR），X射線光電子能譜（XPS），以及電鏡附件部分的能譜分析（EDS），電子能量損失譜（EELS），判斷材料粒度及孔隙率的BET比表面積測試法。甚至有些時候還能用到中子衍射和吸收譜（XAFS）等表征手段。

　　近30年時間內，鋰電池行業(yè)迅速發(fā)展并要逐步替代煤炭和石油等傳統(tǒng)燃料應用于汽車等動力設備，而隨之發(fā)展的表征檢測手段也不斷的完善和促進著鋰電池領域的進步。

保護電池及人身安全

　　BMS還有另一大核心功能，就是“安全衛(wèi)士”。其實就是保護的作用，這包括電池的自我保護和人身安全的保護。

　　眾所周知，電池過充、過放會帶來局部過熱，影響電池壽命不說，嚴重時會威脅到電池組的安全，進而引發(fā)人身安全隱患。這時，BMS的“充放電管理”模塊就開啟了保護職能，一方面與整車、充電機實現(xiàn)通訊，另一方面實時提供電池狀態(tài)，便于及時發(fā)出指令控制，有效防止高充、低放的發(fā)生。

　　在保護電池的模塊，均衡也是很重要的一環(huán)，是保護并提升電池壽命的必要手段。另外，電池的保護還包括過壓、欠壓、過溫、過流等的保護。簡單來說，當實際參數高于或低于某約定值時，系統(tǒng)將自動做出判斷，并采取斷開、預充等方式保護電池安全。

　　在人身安全方面，BMS通過高壓控制的手段來保護。電池高壓可達300-500V，遠超人體安全電壓36V，風險隱患極大，必須做好高壓控制，最常見的就是繼電器、高壓互鎖、絕緣防護。周全的高壓防護控制，可有效保護司機、乘客和維護人員的人身安全。

　　提到安全，就不得不提功能安全了。寧德時代始終以做世界第一安全電池為發(fā)展目標，是業(yè)內率先進入功能安全領域，同時最為完善的電池企業(yè)。

　　在整個平臺開發(fā)過程中，BMS嚴格遵守并滿足國際標準ISO26262，項目經驗豐富，先后在寶馬、大眾及PSA項目中進行了功能安全管理及開發(fā)；功能安全逐步形成寧德時代的代差優(yōu)勢，也獲得了更多國內外整車廠的認可。

　　在設計階段，寧德時代力求實現(xiàn)ASIL：D級別目標。如何理解？

　　ISO26262標準根據安全風險程度，劃分由A到D的安全需求等級（AutomotiveSafetyIntegrityLevel，ASIL），其中D級為最高等級，需要最苛刻的安全需求。等級越高，對系統(tǒng)的安全性要求越高，為實現(xiàn)安全付出的代價越高，意味著硬件的診斷覆蓋率越高，開發(fā)流程越嚴格，相應的開發(fā)成本增加、開發(fā)周期延長，技術要求越嚴格。