在鋰離子電池發(fā)展的過程當(dāng)中，我們希望獲得大量有用的信息來幫助我們對(duì)材料和器件進(jìn)行數(shù)據(jù)的分析，以得知其各方面的性能。在目前，鋰離子電池材料和器件常用到的研究方法主要有表征方法和電化學(xué)測(cè)量。

電化學(xué)測(cè)試主要分為三個(gè)部分：（1）充放電測(cè)試，主要是看電池充放電性能和倍率等；（2）循環(huán)伏安，主要是看電池的充放電可逆性，峰電流，起峰位；（3）EIS交流阻抗，看電池的電阻和極化等。

下面就鋰電綜合研究中用到的表征手段進(jìn)行簡(jiǎn)單的介紹，大概分為八部分來講述：成分表征、形貌表征、晶體結(jié)構(gòu)表征、物質(zhì)官能團(tuán)的表征、材料離子運(yùn)輸?shù)挠^察、材料的微觀力學(xué)性質(zhì)、材料表面功函數(shù)和其他實(shí)驗(yàn)技術(shù)。

1、成分表征

（1）電感耦合等離子體（ICp）

用來分析物質(zhì)的組成元素及各種元素的含量。ICp-AES可以很好地滿足實(shí)驗(yàn)室主、次、痕量元素常規(guī)分析的需要；ICp-MS相比ICp-AES是近些年新發(fā)展的技術(shù)，儀器價(jià)格更貴，檢出限更低，主要用于痕量/超痕量分析。

Aurbac等在研究正極材料與電解液的界面問題時(shí)，用ICp研究LiC0O2和LiFepO4在電解液中的溶解性。通過改變溫度、電解液的鋰鹽種類等參數(shù)，用ICp測(cè)量改變參數(shù)時(shí)電解液中的Co和Fe含量的變化，從而找到減小正極材料在電解液中溶解的關(guān)鍵。值得注意的是，若元素含量較高（例如高于20%），使用ICp檢測(cè)時(shí)誤差會(huì)大，此時(shí)應(yīng)采用其他方式。

（2）二次離子質(zhì)譜（SIMS）

通過發(fā)射熱電子電離氬氣或氧氣等離子體轟擊樣品的表面，探測(cè)樣品表面溢出的荷電離子或離子團(tuán)來表征樣品成分。可以對(duì)同位素分布進(jìn)行成像，表征樣品成分；探測(cè)樣品成分的縱向分布

Ota等用TOFSIMS技術(shù)研究了亞硫酸乙烯酯作為添加劑加到標(biāo)準(zhǔn)電解液后，石墨負(fù)極和LiC0O2正極表面形成SEI膜的成分。Castle等通過SIMS探測(cè)V2O5在嵌鋰后電極表面到內(nèi)部Li+的分布來研究Li+在V2O5中的擴(kuò)散過程。

（3）X射線光子能譜（XpS）

由瑞典Uppsala大學(xué)物理研究所KaiSiegbahn教授及其小組在20世紀(jì)五六十年代逐步發(fā)展完善。X射線光電子能譜不僅能測(cè)定表面的組成元素，而且還能給出各元素的化學(xué)狀態(tài)信息，能量分辨率高，具有一定的空間分辨率（目前為微米尺度）、時(shí)間分辨率（分鐘級(jí)）。

用于測(cè)定表面的組成元素、給出各元素的化學(xué)狀態(tài)信息。

胡勇勝等用XpS研究了在高電壓下VEC在石墨表面生成的SEI的成分，主要還是以C、O、Li為主，聯(lián)合FTIR發(fā)現(xiàn)其中主要成分為烷氧基鋰鹽。

（4）電子能量損失譜（EELS）

利用入射電子引起材料表面電子激發(fā)、電離等非彈性散射損失的能量，通過分析能量損失的位置可以得到元素的成分。EELS相比EDX對(duì)輕元素有更好的分辨效果，能量分辨率高出1～2個(gè)量級(jí)，空間分辨能力由于伴隨著透射電鏡技術(shù)，也可以達(dá)到10*10m的量級(jí)，同時(shí)可以用于測(cè)試薄膜厚度，有一定時(shí)間分辨能力。通過對(duì)EELS譜進(jìn)行密度泛函（DFT）的擬合，可以進(jìn)一步獲得準(zhǔn)確的元素價(jià)態(tài)甚至是電子態(tài)的信息。

AI．Sharab等在研究氟化鐵和碳的納米復(fù)合物電極材料時(shí)利用STEMEELS聯(lián)合技術(shù)研究了不同充放電狀態(tài)時(shí)氟化鐵和碳的納米復(fù)合物的化學(xué)元素分布、結(jié)構(gòu)分布及鐵的價(jià)態(tài)分布。

（5）掃描透射X射線顯微術(shù)（STXM）

基于第三代同步輻射光源以及高功率實(shí)驗(yàn)室X光源、X射線聚焦技術(shù)的新型譜學(xué)顯微技術(shù)。采用透射X射線吸收成像的原理，STXM能夠?qū)崿F(xiàn)具有幾十個(gè)納米的高空間分辨的三維成像，同時(shí)能提供一定的化學(xué)信息。STXM能夠?qū)崿F(xiàn)無損傷三維成像，對(duì)于了解復(fù)雜電極材料、固體電解質(zhì)材料、隔膜材料、電極以及電池可以提供關(guān)鍵的信息，而且這些技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)原位測(cè)試的功能。

Sun等研究碳包覆的Li4TI5O12與未包覆之前相比，具有更好的倍率性能和循環(huán)性能。作者利用STXMXANES和高分辨的TEM確定了無定型的碳層均一地包覆在LTO顆粒表面，包覆厚度約為5nm。其中通過STXM作者獲得了單個(gè)LTO顆粒的C、TI、O分布情況，其中C包覆在顆粒表面。

（6）X射線吸收近邊譜（XANES）

是標(biāo)定元素及其價(jià)態(tài)的技術(shù)，不同化合物中同一價(jià)態(tài)的同一元素對(duì)特定能量X射線有高的吸收，我們稱之為近邊吸收譜。在鋰電池領(lǐng)域中，XAS主要用于電荷轉(zhuǎn)移研究，如正極材料過渡金屬變價(jià)問題。

Kobayashi等用XANES研究了LiNi0.80Co0.15Al0.05O2正極材料。XANES檢測(cè)到顆粒表面含有Li2Co3和其它額外立方相雜質(zhì)。

（7）X射線熒光光譜分析（XRF）

利用初級(jí)X射線光子或其它微觀離子激發(fā)待測(cè)物質(zhì)中的原子，使之產(chǎn)生熒光（次級(jí)X射線）而進(jìn)行物質(zhì)成分分析和化學(xué)態(tài)研究的方法。按激發(fā)、色散和探測(cè)方法的不同，分為X射線光譜法（波長(zhǎng)色散）和X射線能譜法（能量色散）。根據(jù)色散方式不同，X射線熒光分析儀相應(yīng)分為X射線熒光光譜儀（波長(zhǎng)色散）和X射線熒光能譜儀（能量色散）。XRF被工業(yè)界廣泛應(yīng)用于鋰離子電池材料主成分及雜質(zhì)元素分析。對(duì)某些元素檢出限可以達(dá)到10-9的量級(jí)。

2、形貌表征

（1）掃描電鏡（SEM）

收集樣品表面的二次電子信息，反應(yīng)樣品的表面形貌和粗糙程度，帶有EDS配件的SEM可以進(jìn)一步分析元素種類、分布以及半定量的分析元素含量。雖然SEM的分辨率遠(yuǎn)小于TEM，但它仍是表征電池材料的顆粒大小和表面形貌的最基本的工具

李文俊等利用密封轉(zhuǎn)移盒轉(zhuǎn)移樣品的基礎(chǔ)上，重新設(shè)計(jì)了針對(duì)金屬鋰電極的掃描電鏡的樣品托架，研究了金屬鋰電極在Li的嵌入和脫出過程中表面孔洞和枝晶的形成過程。

（2）透射電鏡（TEM）

材料的表面和界面的形貌和特性，在關(guān)于表面包覆以及闡述表面SEI的文獻(xiàn)中多有介紹。TEM也可以配置能譜附件來分析元素的種類、分布等。與SEM相比TEM能觀察到更小的顆粒，并且高分辨透射電鏡可以對(duì)晶格進(jìn)行觀察，原位TEM的功能更加強(qiáng)大，在TEM電鏡腔體中組裝原位電池，同時(shí)借助于TEM的高分辨特性，對(duì)電池材料在循環(huán)過程中的形貌和結(jié)構(gòu)演化進(jìn)行實(shí)時(shí)的測(cè)量和分析

黃建宇等利用原位樣品桿對(duì)SnO2在離子液體中嵌脫鋰過程中的形貌和結(jié)構(gòu)演化進(jìn)行了原位表征。隨后，他們對(duì)TEM原位電池實(shí)驗(yàn)的裝置進(jìn)行了改進(jìn)，利用在金屬Li上自然生產(chǎn)的氧化鋰作為電解質(zhì)，代替了原先使用的離子液體，提高了實(shí)驗(yàn)的穩(wěn)定性，更好地保護(hù)了電鏡腔體。

擴(kuò)展閱讀：學(xué)術(shù)干貨│原位透射電鏡在材料氣液相化學(xué)反應(yīng)研究中的作用

（3）原子力顯微鏡（AFM）

納米級(jí)平整表面的觀察，在碳材料的表征中使用較多。

3、晶體結(jié)構(gòu)表征

（1）X射線衍射技術(shù)（XRD）

通過XRD，可以獲得材料的晶體結(jié)構(gòu)、結(jié)晶度、應(yīng)力、結(jié)晶取向、超結(jié)構(gòu)等信息，還可以反映塊體材料平均晶體結(jié)構(gòu)性質(zhì)，平均的晶胞結(jié)構(gòu)參數(shù)變化，擬合后可以獲取原子占位信息

Thurston等首次將原位的XRD技術(shù)應(yīng)用到鋰離子電池中。通過利用同步輻射光源的硬X射線探測(cè)原位電池裝置中的體電極材料，直觀的觀察到晶格膨脹和收縮、相變、多相形成的結(jié)果。

（2）擴(kuò)展X射線吸收精細(xì)譜（EXAFS）

通過X射線與樣品的電子相互作用，吸收部分特定能量的入射光子，來反映材料局部結(jié)構(gòu)差異與變化的技術(shù)，具有一定的能量和時(shí)間分辨能力，主要獲得晶體結(jié)構(gòu)中徑向分布、鍵長(zhǎng)、有序度、配位數(shù)等信息；通常需要同步輻射光源的強(qiáng)光源來實(shí)現(xiàn)EXAFS實(shí)驗(yàn)

Jung等通過用EXAFS分析研究了嵌SnOx／CuOx的碳納米負(fù)極材料的電化學(xué)性質(zhì)，表明嵌SnOx／CuOx的碳納米纖維具有一個(gè)無序的結(jié)構(gòu)，形成了SnOx顆粒的特殊分布，由此導(dǎo)致電化學(xué)性能有所提升。

（3）中子衍射（ND）

當(dāng)鋰離子電池材料中有較大的原子存在時(shí)，X射線將難以對(duì)鋰離子占位進(jìn)行精確的探測(cè)。中子對(duì)鋰離子電池材料中的鋰較敏感，因此中子衍射在鋰離子電池材料的研究中發(fā)揮著重要作用。

Arbi等通過中子衍射確定了鋰離子電池固態(tài)電解質(zhì)材料LATp中的Li+占位。

（4）核磁共振（NMR）

NMR具有高的能量分辨、空間分辨能力，能夠探測(cè)材料中的化學(xué)信息并成像，探測(cè)枝晶反應(yīng)、測(cè)定鋰離子自擴(kuò)散系數(shù)、對(duì)顆粒內(nèi)部相轉(zhuǎn)變反應(yīng)進(jìn)行研究。

Grey等對(duì)NMR在鋰離子電池正極材料中的研究開展了大量的研究工作。表明從正極材料的NMR譜中可以得到豐富的化學(xué)信息及局部電荷有序無序等信息，并可以探測(cè)順磁或金屬態(tài)的材料，還可以探測(cè)摻雜帶來的電子結(jié)構(gòu)的微弱變化來反映元素化合態(tài)信息。另外結(jié)合同位素示蹤還可以研究電池中的副反應(yīng)等。

（5）球差校正掃描透射電鏡（STEM）

用途：用來觀察原子的排布情況、原子級(jí)實(shí)空間成像，可清晰看到晶格與原子占位；對(duì)樣品要求高；可以實(shí)現(xiàn)原位實(shí)驗(yàn)

Oshima等利用環(huán)形明場(chǎng)成像的球差校正掃描透射顯微鏡（ABF-STEM）觀察到了Li2VO4中Li、V、O在實(shí)空間的原子排布。

（6）Raman

早期用拉曼光譜研究LiC0O2的晶體結(jié)構(gòu)，LiC0O2中有兩種拉曼活性模式，CoO伸縮振動(dòng)Alg的峰與OCoO的彎曲振動(dòng)Eg的峰。也多用于鋰離子電池中碳材料石墨化程度的表征分析。