KLA纳米压痕仪对电池材料的测量

KLA Instruments 小课堂

定期分享KLA Instruments旗下产品的各种技术资料、应用笔记和使用指南。

旗下产品包括：轮廓仪、纳米压痕仪、薄膜测厚仪、方阻测量仪以及晶圆缺陷检测系统。

我们的小课堂于2023年2月正式上线，去年一年获得了大家广泛的喜爱与支持。2024年，KLA Instruments团队将继续努力，为大家带来更多行业资讯与技术干货。

本期课程：

新应用—KLA纳米压痕仪对电池材料的测量

电池的应用极为广泛，其通常以电化学反应池的形式为各类装置供电。电池内在失效和劣化对电池性能有重大影响，而其机制依赖于不同组成材料之间的电化学反应和纳米力学相互作用。下一代电池要求高能量密度和高充放电倍率（C-rate，充放电速率的一种衡量标准）。为此，业界在新材料、制造工艺和集成工艺等方面做出了巨大努力，以优化电池在更宽温度范围内的性能[1]。

为了提高良率并扩大生产规模，了解电池的失效模式及其根本原因至关重要。典型的电池失效模式可分为三类：力学失效、热失效和电气失效。

01电池制造

典型的电池制造流程包括原料准备、浆料混合、涂布、压延、 分切、堆叠和封装等步骤，如图1所示。在整个流程中，纳米压痕技术可用于以下多种测量：

正极浆料颗粒的压缩强度（直径1-20微米）

粘结剂材料的复模量

正极复合材料涂层的压痕硬度和模量

固态电解质的压痕硬度和模量

负极涂层的压痕硬度和模量

叠层结构的断裂韧性和压痕开裂测试

图1. 全固态电池(ASSB)大规模制造示意图。聚合物和固态电解质复合材料具有良好的机械加工性能，并能减小隔膜厚度从而提高电芯能量密度。图片来源：Tan等。[2]

纳米压痕技术使电池研究能够在微米尺度开展，从而在电极和原料颗粒两个层面上评估纳米力学性能。基于此，可以实现的目标包括：

通过测量压痕硬度、模量、断裂韧性等， 促进在材料缺陷尺度上对新兴电池材料性能的研究，以及对失效机制的研究。

推动循环充放电后的电池可靠性评估，从而防止失效。

优化组件/材料在更宽温度范围内的性能，从而增强电池的热安全性和热管理特性。

02正极力学响应测量

KLA Instruments 的纳米力学测试系统提供多种不同的测试 方法。在测试涂敷在铜箔上的商用石墨复合材料时，我们开发的测试方法可以控制驱动力的施加、信号传感、数据采集、参数计算和结果呈现等。

图2（上）展示了弹性模量测量值随深度的变化，插图为LiNiCoMnO2表面的SEM图像。图2（下）展示了正极硬度测量值随深度的变化，插图为作动器的示意图。设备提供不同的测试模式，以适配表面粗糙度不同的各类材料。

图2. 正极材料模量（上）和硬度（下）随压入深度的变化，插图分别为LiNiCoMnO2表面的SEM图像和KLA作动器示意图。SEM 图像来源：MTI Corporation。

03

正极复合材料的高速纳米力学性能成像

使用NanoBlitz 3D功能，可以对材料表面进行纳米力学性能成像，其在用户指定区域运行压痕点阵，每1秒即可完成一个压痕点的数据测量。

图3展示了一种锂离子电池正极的模量（上）和硬度（下）云图，该正极中包含锂镍锰钴氧化物（LiNiCoMnO2：53）活性颗粒的混合物。

图3. 正极涂层的弹性模量（上）和硬度（下）的纳米压痕成像。

下图的图4中，在正极涂层表面标示了进行NanoBlitz 3D成像的区域。与传统的连续刚度测量(CSM)方法相比，NanoBlitz 3D纳米压痕测试具有更高的信噪比，并能快速区分样品中各物相的力学性能及其空间分布，因而是一种极为实用的测试方法。

图4. NanoBlitz 3D测试区域如正极表面上的方框所示。

04单个颗粒原位压缩

制造过程常会发生颗粒开裂，这将导致进一步的有害副反应。使用KLA Instruments的InSEM 原位纳米力学测试系统，可以对颗粒开裂进行原位观察并同步测量颗粒的压缩强度，其还可以原位测量复合涂层的力学性质。

下图的图5展示了颗粒压缩测试之前及之后的InSEM视频图像。

图5-01. 颗粒压缩测试之前的InSEM 视频图像

图5-02. 颗粒压缩测试之后的InSEM 视频图像

下图的图6展示了相应的颗粒的载荷-压缩量曲线（上）和断裂应力（下）。

图6. 原位颗粒压缩中的载荷-压缩量曲线（上）和测得的断裂应力（下）

05粘结剂的粘弹响应测量

我们的ProbeDMATM技术可用于粘结材料的局部动态力学分析(DMA)测试。其优势在于，可通过纳米压痕仪定位表面的特定位置，以量化研究样品局部的力学性能。图7比较了干燥和潮湿条件下，测量得到的粘结剂储存模量，测试频率为10Hz。

图7. 粘结剂在干燥和潮湿条件下的储存模量（左）。在电解液中进行纳米压痕测量（右）。图片来源：Toyo Corporation。

06可变的电池材料测试环境

纳米压痕实验通常在大气条件下进行，但是某些电池材料要求在液体或高温条件下进行纳米力学测试，其可能最适于在手套箱内开展。KLA Instruments的iMicro和iNano系统设计紧凑、体积小巧，非常适于此类应用。

图8展示了Nano Indenter G200与手套箱联用的测试系统，可以用于在电解液池中研究材料性能。测试时手套箱可以充氩气，以评估材料在氩气和液体环境下的纳米力学性质。

图8. Nano Indenter G200与手套箱联用的范例， 可以测量样品在氩气和液体环境下的力学响应。图片来源：Scalco de Vansconcelos等[3]。

07纳米压痕技术

在电池制造与研究中的用途与意义

电池制造的工艺步骤繁复，工艺的差别将影响电池中各层的均匀性和界面粘结强度等性能。电池材料研究中，要求在各类应用场景和环境条件下对材料行为和性能进行测试，包括大气、液体、气氛和真空条件等。KLA Instruments的纳米压痕技术可以为电池材料研究或电池制造提供关键的纳米力学性能数据。