电池研发常用的表征手段总结

电池研发涉及多个层面的材料、结构和性能分析，通常需要结合多种表征手段来评估材料特性、电化学行为、电池稳定性及失效机制等。
(1) 在学校读研、读博期间，为了发表高水平的文章，一般需要对课题进行较为深入的研究或者机理的分析，这时候就常用到像原位测试、透射、球差电镜、FIB等等。通过获取材料原子级别的图像，探索材料深层次的变化。
(2) 在工作期间，锂电池材料公司或制造公司，更多的是关注材料或者电池的性能是否满足客户的要求，它们重点不在追求高水平的学术论文上。很多时候一台SEM和一台XRD就能解决很多问题。对于一些小型的锂电池制造公司，有一台SEM都很不错了。

以下是一些常用的表征技术及其应用方向：

1.材料结构分析

X射线衍射（XRD）

分析电极材料、固态电解质的晶体结构、相变、晶格参数及结晶度。例如利用XRD测试石墨粉末/极片的取向度，石墨化度。

X射线荧光光谱（XRF）

上面说了XRD，它侧重于材料的结构，物相分析。而XRF侧重于元素分析。例如我们想要知道某种矿石种金的含量，则用XRF测试。

扫描电子显微镜（SEM）

观察电极材料、隔膜或电解质的表面形貌、颗粒尺寸及分布。SEM的微观形貌用的太多了，这里就不介绍了。SEM一般配合EDS，对元素进行半定量分析。

透射电子显微镜（TEM）

分析材料的微观结构（如晶格缺陷、纳米级相分离）及界面特性。

拉曼光谱（Raman Spectroscopy）

检测材料的化学键、相变（如石墨与无序碳的区分）及应力分布。

傅里叶变换红外光谱（FTIR）

分析材料官能团、有机电解液的分解产物或聚合物电解质的化学结构。

核磁共振（NMR）

研究电解液中离子传输机制、固态电解质中锂离子扩散路径。

2.电化学性能表征

循环伏安法（CV）

评估电极反应的氧化还原电位、可逆性及动力学特性。

电化学阻抗谱（EIS）

分析电池内部阻抗（界面阻抗、电荷转移阻抗、扩散阻抗等）。

恒电流充放电测试（GCD）

测定电池的容量、库仑效率、循环寿命及倍率性能。

恒电位间歇滴定（PITT/GITT）

计算锂离子扩散系数，研究电极材料的动力学特性。

3.表面与界面分析

X射线光电子能谱（XPS）

分析电极表面成分、化学态（如SEI膜成分、过渡金属溶解）。

原子力显微镜（AFM）

研究电极表面形貌变化、机械性能及界面膜的演化。

二次离子质谱（SIMS）

检测电极/电解质界面元素的深度分布及副反应产物。

4.成分与热分析

热重分析（TGA）

评估材料热稳定性、分解温度及成分比例（如碳含量）。

差示扫描量热法（DSC）

分析材料相变、反应热及电解液的热失控行为。

电感耦合等离子体光谱（ICP-OES/MS）

定量检测电极材料中的金属离子含量（如过渡金属溶解）。

5.微观结构与动态过程

原位/原位表征技术

原位XRD/TEM/Raman：实时观测电池充放电过程中材料的结构演变。

原位光学显微镜

监测锂枝晶生长或电极体积变化。

中子衍射

研究锂离子在材料中的占位及扩散行为（对轻元素敏感）。

6.电池性能测试

电池的电性能测试一般在电池测试柜上测试。扣式电池测试主要有蓝电和新威，很多学生公认的蓝电更好，但就是价格贵，导师只给买新威的。所以用新威的学校和公司也蛮多的。对于企业大容量的电池测试设备，杭可是龙头。

循环寿命测试

评估电池在长期充放电后的容量衰减及稳定性。

倍率性能测试

分析电池在不同电流密度下的容量保持率。

自放电测试

测定电池在静置状态下的容量损失。

安全性能测试

包括热滥用（高温）、过充/过放、针刺、挤压等极端条件下的安全评估。

7.其他先进技术

同步辐射光源

高分辨率成像与光谱分析（如软X射线谱研究界面反应）。

三维断层扫描（CT）

无损观察电池内部结构（如电极孔隙率、裂纹扩展）。

质谱联用技术（如DEMS）

在线监测电池产气成分（如CO₂、H₂等副产物）。

对于大部分公司来说，很多先进的设备是不用的，因为也用不到。在这个卷字当头的时代，你根本没有那么多时间去进行深入的分析。很多公司一贯的作风就是，模仿，复制。因为这样，产品才能快速上市。
确实，很多公司用的最多的还是这一类的测试：
通过ICP分析元素（应用特别广）；
通过BET分析材料的比表面积；
通过电子万能试验机测试材料的力学强度、剥离力、隔膜、集流体的拉伸强度；
通过粘度计测试浆料（正/负极浆料、CNT浆料、CMC、PVDF浆料、电解液等）的粘度；
通过碳硫分析仪分析材料的碳含量；
利用电导率测试仪测试粉末的电导率和电解液的电导率；
利用电化学工作站测试EIS、CV、离子电导率等；