前言: 

圖 1：傳統 LIB 的結構。

鋰基電池技術在過去三十年中取得了顯著發展，從早期的鋰金屬陽極開始，一直到今天的商業鋰離子電池。 鋰基電池的故事充滿了突破和歷史發展[1]。

鋰離子電池(LIB)的歷史始於1962年。最早的電池在一次放電後無法再充電（原電池）。 負極材料為鋰，正極材料為二氧化錳。 這種電池由三洋公司於1972年推出市場。 1985年，Moli Energy公司開發出第一款以鋰（負極）和硫化鉬（正極）為基礎的充電電池（二次電池）。 然而，由於負極上有鋰，這種設計有安全問題。
鋰離子電池的下一步是透過在電極的兩側進行塗層來實現，這使得鋰可以被儲存和移除並且具有高電壓電位。 索尼公司開發第一個可充電鋰離子電池並於1991年推出，負極活性物質為碳，正極活性物質為二氧化鋰鈷。
從一開始，最具挑戰性的程序之一就是為電極。

鋰離子電池(LIB)的歷史始於1962年。最早的電池在一次放電後無法再充電（原電池）。 負極材料為鋰，正極材料為二氧化錳。 這種電池由三洋公司於1972年推出市場。 1985年，Moli Energy公司開發出第一款以鋰（負極）和硫化鉬（正極）為基礎的充電電池（二次電池）。 然而，由於負極上有鋰，這種設計有安全問題。
鋰離子電池的下一步是透過在電極的兩側進行塗層來實現，這使得鋰可以被儲存和移除並且具有高電壓電位。 索尼公司開發第一個可充電鋰離子電池並於1991年推出，負極活性物質為碳，正極活性物質為二氧化鋰鈷。
從一開始，最具挑戰性的程序之一就是為電極。

最常見的組合之一是在陰極使用塗有金屬氧化物顆粒的鋁箔，在陽極使用塗有石墨的銅箔。 圖 1 顯示了傳統 LIB 的結構。 箔片可以塗覆在一側或兩側。

陰極中使用了各種鋰金屬氧化物化合物。 例如，像Li(Ni1/3Co1/3Mn1/3)O2這樣的層狀氧化物可以獲得高比容量。由於Mn與Ni/Co化合物相比，Mn化合物的價格較低，因此它們對製造商更有利，陽極和陰極材料最重要的候選材料分別如圖 7 和 11 所示。

鋰離子電池品質控制的程序之一是對電池蓋和外殼、點焊或電極進行金相研究。 由於這些零件由不同的材料製成，因此需要不同的製備方法。 在以下段落中將討論各種製備方法以及每種製備的目標

電池的金相製備
電池的金相製備電池殼體作為電池系統主被動部件，會影響電池儲能的功能、安全性和使用壽命。
它可以保護組件（其中一些敏感組件）免受水、濕氣或灰塵等有害環境影響，因此對於長期安全可靠運作至關重要。 由於汽車電池通常位於車體底部，比較接近路面，因此外殼暴露在環境中會受到溫度、濕度、濺水、鹽霧、灰塵或石屑等影響。

圖 2：如何將 LIB 夾在旋轉夾緊工具中以切割蓋子並取出樣品

因此，即使在惡劣的外部條件下，高機械穩定性和耐腐蝕性也至關重要。電池外殼的品質控製程序之一是在光學和掃描電子顯微鏡下進行金相製備和研究。 電池蓋可以使用 Qcut 200 A 上的旋轉夾緊工具切割。

鋰離子電池外殼和蓋子的製備方法見表1。大多數情況下電池的蓋子由帶有鎳基塗層的鐵與鋼製成。表1中的製備方法是QATM以其特定的機器和耗材所開發的製備方法，確保準備後獲得最準確的結果。

表1. 開發電磁和外殼研磨和拋光參數

圖 3 和圖 4 顯示了 電磁上殼的微觀結構。 如圖 2 所示，蓋子由塗層鐵素體鋼製成。 對於這些樣品，使用正確的參數以及合適的耗材至關重要，因為使用錯誤的應力或耗材可能會使邊緣變圓並影響測量結果。
圖 3. 用 3% 硝酸酒精蝕刻後的 電磁上殼的微觀結構。為了測量帽的晶粒尺寸，可以使用 Klemm I 的蝕刻液進行彩色蝕刻。 用 Klemm I 蝕刻後的結果如圖 4 所示。

圖 3（左）：電磁上殼在用 3% 硝酸酒精蝕刻後的微觀結構。
圖 4（右）：使用 Klemm I 蝕刻後 電磁上殼的微觀結構

陽極電池的金相製備
圖 5 顯示了 SEM 分析的電子影像。 此外，塗層的化學成分可以在掃描電子顯微鏡 (SEM) 的 EDS 檢測器下測量。 圖 6 顯示了由「QPIX Control 2」軟體執行的塗層厚度測量。

圖 5. 瓶蓋的BSE影像，頂部可以清楚看到塗層

圖 6. QPIX 控制的厚度測量 2. 最終厚度為 5.1 µm

可以對鋰離子電池的蓋子和外殼進行的進一步品質控制是硬度測試。 在本例中，使用 QATM 的 Qness 60 A+ Evo 硬度計進行 HV1 硬度測試。 圖 7 顯示了結果以及壓痕位置。

圖7. LIB的蓋子和外殼的HV1硬度測試。 電磁蓋硬度：117.3 HV / 外殼硬度：210.6 HV

圖 8 顯示了可能的陽極材料。 如今，傳統的陽極由銅箔作為集流體，在一側或兩側塗有石墨。 這裡的挑戰是在不損壞箔片或塗層且不造成塗抹效果的情況下製備樣品。 塗抹使銅箔的厚度看起來比顯微鏡下的實際厚度更大，因此可能導致錯誤的決定。 此外，由於金相製備不正確，石墨層可能會從塗層上脫落。

圖 8. 主要負極材料的比儲存容量和電位與 Li/Li+ 的關係。

表 2. 開發的 LIB 陽極箔研磨和拋光參數。

圖9和圖10顯示了電池陽極在光學顯微鏡下的結構。 塗層和箔之間的連接、銅箔的直線度以及可能的製造缺陷可能是鋰離子電池陽極金相分析中有趣的問題。 圖 11 顯示了 EDX 偵測器的結果，可以確定其中包含的元素。

圖 9 : 低倍率陽極結構，這裡可以檢查銅箔的直線度。
圖 10 : 為圖 8 具有更高的放大倍率。

圖 11：EDX 偵測器的分析結果。 可以看出，Cu元素呈現橘色，石墨（碳元素）呈現藍色。

電池陰極的金相製備
陰極材料最受歡迎的組合之一是使用鋁箔作為集流體，在一側或兩側塗有金屬氧化物顆粒，例如 LiNiMnCo 氧化物。 圖 12 顯示了各種陰極材料及其特性。 表3的製備方法是QATM以其特定的機器和耗材所開發的製備方法，保證了陰極箔製備後得到最準確的結果。

圖 12：陰極塗層不同活性材料和FIB切割比較 。

表 3.  鋰電池陰極研磨和拋光參數。

圖 13：兩面塗有金屬氧化物顆粒的鋁箔。
圖 14：為圖 13 具有更高的放大倍率。

此處，EDX 偵測器還可用於確定集電器和塗層中所含的元素。 圖 15 顯示了 EDX 分析後的結果。

圖 15：陰極箔的 EDX 結果。

電阻點焊金相製備
最後但並非最不重要的是電池蓋上點焊的金相製備。 這項調查對於航空航太業至關重要。 太空飛行環境對風險特別敏感，特別是當國際太空站（ISS）的可居住空間內可能發生火災時。 在 Robonaut 2 (R2) 等較大的電池組中，許多鋰離子電池以並聯配置放置，以獲得所需的電池組電壓和所需的運行時間或滿足特定功率。 對這些鋰離子電池對於確保國際太空站的安全至關重要。 在這裡，最重要的問題是不要因為金相製備不正確而覆蓋孔隙，因為錯誤的參數會使材料塗抹並封閉孔隙表面，圖 16 顯示了這些點焊的一些測量結果。

圖 16：電池蓋上的點焊，紅色圓圈顯示兩端有細小的裂紋點焊，3% 硝酸酒精已被用作蝕刻劑。