上海，2023年8月16日——随着新能源汽车保有量不断增加，整个行业正在进入大规模商业化阶段。 企业想要在更大的市场、更多的参与者、更激烈的竞争中脱颖而出。 动力电池研发生产企业的关键机遇是什么？

蔡司全球发布《新能源汽车电池质量保障白皮书》。 通过趋势解读、技术分析、未来挑战等方面分析动力电池企业如何利用质量控制手段实现技术创新、降本增效。 在本白皮书中，我们将从“更高性能、更高安全性、更好成本”三重角度解锁工业测试在动力电池研发和生产中的重要作用。

今天我们就从电池开始，看看多个检测维度如何帮助探索新型电池电芯的结构，改进材料以提高电池性能，让基础研究走得更远、更深入。

不少电池企业给自己的新产品起了“4680”、“想要”、“M3P”、“短刀”、“XFC”、“凝聚态”等性感名字，打造充满个性特色的记忆点并且易于传播，力争让从主机厂到C端用户的所有人都熟悉。

如果我们抛开这些名字，让电池回归到它本来的本质，我们就能发现新材料的发现、性能的提升、产品创新的深度和广度等容易难以想象的地方，我们就会看到真实的世界在冰山的底部。

在这个底层世界里，各种复杂的物理、化学、电化学过程交织在一起，就像一个神秘的冰洞。 只有通过深入的基础研究，运用合理的检测方法，才能逐步揭开这些谜团，了解电池内部的微观机制，发现潜力和可能性。

1、新型电池探索永无止境

动力电池产品的高安全性、高能量密度、高倍率性能、耐用性和较低的成本是决定其能否取得市场成功的关键因素。 竞技玩法的全面升级，意味着“性能”、“安全”、“成本”三个方面的全面升级。

电池公司希望在这些关键因素上脱颖而出，这就需要超越同行的质量控制方法。 首先，在研发过程中，要充分了解和掌控电池相关材料的特性，选择好的材料。

材料从根本上决定了电池的性能。 通过改进材料提高电池性能、优化电池老化机制、应用新材料、改变电池结构是电池研发的主要方向。 例如，在材料体系方面，采用新材料体系（高镍正极、硅基负极、锂金属负极、固体电解质等），提高单体能量密度； 或开发磷酸锰铁锂，探索钠离子电池的商业化应用，降低成本； 或者加快固态电池的研发进程，让电池性能更高、更耐用。 从电芯形状来看，方形电池尤其是磷酸铁锂已经成为主流企业考虑性能、集成度和制造的首选方案之一； 大型圆柱电池也是热门方向，特斯拉和宝马都提出了具体的实施计划。 在快充技术方面，不少整车厂开始推出800V高压平台，并与电池企业合作推出2C~4C快充解决方案。

动力电池技术趋势之源：《探索高效电池生产奥秘，打造高品质电池》白皮书

材料的改性、新材料的开发以及电池电芯结构的设计往往涉及多种策略来促进电池的升级和创新。

比如，从2020年至今，由特斯拉起家、国内电池企业联合推广的大型圆柱电池，就有一个极其独特的杀手锏：

由于采用钢壳圆柱壳和定向泄压技术，电池本身的束缚力比较均匀，有效抑制了膨胀，为电池的整体安全提供了强有力的一级保障盒。 这也使得大型圆柱电池材料的探索更加大胆。 目前高比能量路线下的主流材料，高镍三元正极材料、硅基负极材料在大型圆柱电池中应用较为广泛。

采用全极耳设计，电池直接从正负极上的集流体吸取电流，使电流传导面积加倍，缩短电流传导距离，从而大大降低电池内阻，提高峰值充电和放电功率。

对于成本较低的锰铁锂电池系统，宁德时代的M3P电池将在第三季度安装在特斯拉国产Model 3小改款上。 网上不断有消息称M3P电池是LFMP磷酸锰铁锂电池。 宁德时报在调查中表示，准确来说，M3P并不是磷酸锰铁锂，还含有其他金属元素——该公司称之为“磷酸盐体系的三元”。

容百科技在8月10日的全球化战略发布会上指出，旗下LFMP率先实现了73种产品（锰铁比）的规模化供应，并在此基础上推出了LFMP与三元的复合产品M6P以及下一代工艺产品。 他们认为，到2030年，广义三元材料和磷酸盐仍将占据主体，三元材料中的高镍材料、磷酸盐中的锰铁锂、钠电将迎来非常高速的增长。

另一方面，行业也需要支持更高倍率的动力电池。 这就要求电池企业在加强电池热管理的同时，从电池材料（特别是负极材料的选择和微结构设计）、电极设计、电池形状等角度入手，降低内阻，加强散热，提高电池性能。 率性能。

目前已有多家企业推出快充电池解决方案。 欣旺达在今年上海车展上重点推出闪充电池，部署核心材料专有技术，自主设计闪充硅材料技术、高安全中镍正极、新型硅基体系电解液技术等关键技术，支撑电动汽车可在 10 分钟内从 20% 充电至 80% SOC，让充电像加油一样快。

2、工欲善其事，必先利其器

当电池企业为大众解析“高性能”、“高安全”、“低成本”新型电池产品时，“自主研发”、“微观”、“纳米级涂层”、“掺杂”、“ “原位固态”、“化学技术”等关键词频繁闪现，除了对主流电池材料进行改性，加速LFMP、全固态电池等新型电池的应用。

以近年来火热的LMFP为例，该类电池原本存在导电性能、倍率性能、循环性能较差等问题。 得到改善。 甚至，目前企业正在研究LFMP或NCM的组合，具有成本低、安全性高、能量密度高的优点。

蔚来汽车使用的150kW半固态电池由蔚蓝新能源提供，采用原位固态技术。 该技术是通过液体注入的方式使电解质与电极材料之间保持良好的原子级接触，然后将部分或全部液体电解质转化为固体电解质。 将固体电解质压在一起。

所有这些等等，充分展现了电池基础研发人员的耐心和创造力，就像一位熟练的雕塑家，对微观结构的把握清晰，将每一个微小的纹理打磨得尽善尽美。

俗话说“工欲善其事，必先利其器”。 更好的动力电池产品离不开更高效、更强大的测试工具。

材料的微观结构表征是电池开发的关键。 目前，多种材料表征方法已被引入并广泛应用。

在研发过程中，工程师利用光学显微镜、X射线显微镜和3D检查来观察电极材料、检测电极缺陷并分析电池失效机制。 还可以观察材料的颗粒大小、各种成分的比例和分布等，加深研发人员的认识和理解。 这些可以在提高电池性能的同时提高研发效率，进而为材料和工艺的改进提供基础。

3. 电池材料的二维显微成像与表征

光学显微镜利用光学原理来放大物体，最早形成于17世纪。 光学显微镜的分辨率与可见光的波长（390-780nm）有关，其最大放大倍数可达1000倍以上，达到微米级分辨率。 广泛应用于生命科学、材料科学等领域。

在动力电池的研发中，光学显微镜可用于观察电极结构、检测电极缺陷、分析电池的失效机理、观察锂枝晶的生长行为等，为改进提供依据材料和工艺。

光学显微镜电极截面失效分析来源：《探索高效电池生产奥秘，打造高品质电池》白皮书

但由于可见光波长的限制，光学显微镜的放大倍数受到限制，无法观察到更微观的结构，而电子显微镜很好地解决了这个问题。

电子显微镜最早由英国物理学家卢卡斯于1931年发明，它采用电子束代替光束，最大放大倍数可达300万倍，达到纳米级分辨率。

由于电子显微镜的分辨率较高，在电池研发中，借助不同的探针，可以获得多维信息（成分、表征信息、粒径、成分比例等），实现正负极材料的研究、导电剂粘结剂、隔膜等更多微观结构的检测（观察材料形貌、分布状态、粒径、存在的缺陷等）。

用于观察样品表面形貌的常用电子显微镜是扫描电子显微镜（SEM）。 由于其分辨率高，扫描电镜可以清晰地反映和记录材料的表面形貌，因此成为表征材料形貌最便捷的手段之一。

结合氩离子抛光技术（又称CP断面抛光技术），SEM可以完成对样品内部结构微观特征的观察和分析。 这也是目前制备锂电池材料极片解剖切片最有效的方法。

SEM还可用于观察电池颗粒的循环老化。 目前，经过分析发现，颗粒破碎表征已成为学者们提高正极材料性能的切入点。

4.电池检测：从2D到3D

传统的检测方法通常仅限于2D平面，但2D图像会存在局部偏差（例如样品制备时只是切割到没有问题的部分），而3D图像可以更好地表征材料结构，使得检测结果更直观。 有助于加深研发人员的知识和理解，提高研发效率，更好地提升电池性能。

无需拆解电池，利用X射线显微镜即可对电池内部特定区域进行高分辨率成像，实现样品的3D无损成像，区分电极颗粒与孔隙、隔膜与空气等，可大大简化流程并节省时间。

高分辨率显微CT可实现电池内部结构三维可视化，解决因拆解等原因造成内部结构二次损伤的问题，清晰展示电池内部的真实情况。 这里使用 X 射线显微镜技术。

电池内部高分辨率成像（扫描完整样本-选择感兴趣区域-放大并进行高分辨率成像）来源：蔡司（使用蔡司Versa系列X射线显微镜测试）目前CT成像的精度已进入亚微米阶段，可以对电池材料和孔隙进行分析和测试。

在 X 射线显微镜的基础上，蔡司推出了一种表征微观结构随时间演变的方法 (4D)。 借助空间分辨率高达 50nm 且体素尺寸低至 16nm 的真正纳米级 3D X 射线成像，可以获得更多信息并识别更精细的细节。

目前，X射线显微镜的分辨率可达50nm。 当需要研究更高分辨率的细节时，需要新一代聚焦离子束（FIB）技术。 FIB利用高强度聚焦离子束（通常是镓离子）对材料进行纳米加工，并配合扫描电子显微镜（SEM）同时实现对样品的加工和观察。

目前，蔡司和赛默飞都推出了聚焦离子束显微镜。

FIB-SEM示意图及聚焦离子束的三种工作模式影像学； b. 加工; C。 证词来源：蔡司，NE时报整理

蔡司双束电子显微镜系列结合了高分辨率场发射扫描电子显微镜（FESEM）出色的成像和分析性能与FIB的出色处理能力，无论是基于平台设计理念，仪器系统可根据自身需求随时升级（如采用Laser+FIB进行大规模材料加工）。 在处理、成像或实现3D重建分析时，该系列将大大提高FIB的应用效率。

当需要分析各种元件的分布、模拟并查看内部结构时，FIB可以依靠低压成像，扫描更多的3D细节，并进行各种测试，使研发工作更加有效。

5.原位电池测试及多技术相关应用

无论是光学显微镜、电子显微镜，还是X射线显微镜、工业CT，不同的检测方法都有各自的优势，适合不同的场景。 但一种检测方法往往无法完全表征材料特性。 因此，业界协调使用不同的测试设备，实现多手段关联，进而可以在测试中获得多维度的信息，使得结果更加直观。

早期，多方法关联的出发点是需要以不同的分辨率观察被测物体。 例如，CT和X射线显微镜可以无损检测，但分辨率相对较低，因此在初看材料时，可以先看形貌特征。 扫描电子显微镜具有较高的分辨率。 例如，蔡司在扫描电子显微镜的基础上推出了FIB-SEM产品，可以实现高分辨率（3nm）3D成像。 这样，通过CT→X射线显微镜→FIB-SEM，选择区域并逐步放大，可以获得更全面、更准确的信息，同时可以实现快速定位，使检测更加容易。高效的。

正极材料多尺度相关分析来源：蔡司（使用蔡司Versa、Ultra、FIB-SEM系列产品多尺度相关测试）

电子显微镜上有多个扩展端口，可以添加不同的探头。 然而，在电池研发中，配备的SE、BSE和EDX探测器不足以全面表征材料的性能。 尤其是在样本量较大的情况下，不容易聚焦于同一特定颗粒。 拉曼探针可以帮助分析分子结构和组成、界面结构等。但一般来说，拉曼电子显微镜是独立的。 因此，如果能够对同一待测物体同时使用BSE、EDS和拉曼，并获取三幅图像的重叠信息，就可以实现原位多角度分析。

显微镜制造商正在做出上述努力。 例如德国WITec、捷克、蔡司等都推出了RISE系统，可以实现拉曼成像和SEM技术的联合应用。 通过电池表面形貌（SEM）、元素分布（EDS）和电极材料分子组成信息（拉曼图）相结合，可以实现材料的原位多角度分析，了解电池的状态以及形貌、元素可以了解不同位置材料的分子组成，进而评估电池的性能。

材料测试通常伴随着样品制备过程。 由于FIB-SEM需要对同一样品进行多次样品制备测试以构建3D图像，因此使用传统的样品制备方法需要很长时间。 为了解决这个问题，蔡司提出了一套非常巧妙的联合解决方案。

首先，您可以利用Versa的大视场获得无损的3D成像，并发现可疑位置。

那么，为了对可疑位置进行更深入的分析，就需要切到指定的位置。 使用Fs-laser飞秒激光器可以实现高速样品切割（107μm3/秒），进行快速粗样品，快速完成样品深度的分析，而不影响FIB-SEM的高性能和高分辨率。

最后用FIB进行精细打磨并拍照分析。

通过Versa、FIB-SEM和Fs-laser的联合应用，可以实现测试对象的快速定位和样品制备，使测试变得更简单、更快捷，帮助研发人员提高工作效率。

Versa + FIB-SEM + Fs 激光相关测试 来源：Zeiss