锂电池安全无疑是双碳战略下被广泛讨论的话题，在之前的几篇文章中，我们针对锂电池材料存在的安全隐患进行剖析，并提出了基于扫描电镜的分析方案以及原子层沉积包覆改性策略。在锂电行业愈发严格的性能及安全要求下，过去仅针对电化学性能的检测手段已不能满足电池复杂应用场景提出的挑战。电池是复杂的系统，其安全性不仅与系统的整体结构设计相关，更与原材料性质息息相关。

因此，为了保障电池整体的安全，在开发及生产环节便需要提前验证电池的安全特性，综合性的电池失效分析方法近年受到关注。

安全失效分析的重要性

锂电池失效的重要原因可分为安全失效以及性能失效两种，而电池的安全性很大程度上取决于电池的化学性质、工作环境和滥用耐受能力。锂电池内部故障是由电化学系统不稳定引起的。因此，了解电池中发生的电化学反应、材料特性和副反应是评估电池安全性的基础。电压和温度是控制电池反应的两个因素。安全事故伴随着持续的热量和气体产生，导致电池破裂和可燃材料着火。

安全性失效时导致电池失效的重要原因

导致安全失效的微观因素

滥用是导致电池安全失效的主要因素，其宏观表现为热滥用导致的电池内部的温度失控，外力引起的机械破坏以及电气滥用导致的失控。

近年来，随着失效分析理论的日趋完善，以扫描电镜为代表的微观分析手段愈发重要。失效现象对应一种或多种失效机理或使用条件的滥用（如下图所示）。而材料的失效是安全失效的重要原因，在进行失效机理对应的分析时，必须要借助微观分析手段，进而获得微区形貌，成分分布等信息。而对于类似 SEI 膜生长，锂枝晶等问题还需要借助原位的手段进行持续的观测分析，从而建立完整的锂电池的失效原因和失效之间的构效关系。值得注意的是，安全性与性能下降对应的失效机理有较大的重叠度，在分析时需要进行综合的评估考量。

锂电池使用条件、失效原因及失效现象的关系

自动异物识别

在《锂离子电池正极材料的质量管理》中指出，锂离子电池的性能与正极材料的质量息息相关，当正极材料中存在铁（Fe）、铜（Cu）、铬（Cr）、镍（Ni）、锌（Zn）、银（Ag）等金属杂质时，这些金属会先在正极氧化再到负极还原，当负极处的金属单质累积到一定程度，其沉积金属坚硬的棱角就会刺穿隔膜，造成电池自放电。

金属异物造成电池安全失效

由于在光学显微镜下较难识别金属与金属氧化物颗粒，因此通过扫描电镜结合元素分析的方案成为必然的选择。但人工操作电镜进行大范围的异物识别耗时耗力，因此，开发自动化程度较高的扫描电镜解决方案代替人工成为未来趋势。通过颗粒识别技术，对所有颗粒的形貌，粒径及成分信息进行统计，并以标准的 ISO 格式报告输出。

飞纳电镜 ParticleX 自动清洁度分析方案

针对锂电池安全的内部改性策略

电池的安全性取决于活性材料和电解质的化学性质、发热和散热的速度以及对外力的承受能力。从外部策略角度而言，一方面，安全性分析应从评估电极活性材料、电解质和隔膜开始，因为这些因素最可控。另一方面，也需要减少滥用，并及时的进行安全性测试。

由于材料体系在电池安全中的重要性，内部策略依赖于对各组分进行不断改善优化，包括：正负极材料，隔膜，电解质，添加剂等。其中，选用合适的电极材料对于电池的性能以及安全的意义不言而喻。正极材料需要在化学和结构上稳定，以在锂化和脱锂过程中保持可控的化学反应，主流的正极材料的起始温度遵循以下顺序：LiCoO₂(LCO) < LiNixCoyAlzO₂(NCA) < LiNixCoyMnzO₂ (NCM) < LiFePO₄(LFP)。而为了获得足够的能量密度，三元 NCM 与磷酸铁锂（LFP）占据绝大多数市场份额。与 NCM 相比，磷酸铁锂由于结构的优势，具备更高的安全特性，但其缺点也很明显，能量密度和低温性能都较差。

各种正极材料体系的能量释放示意图

此外，由于电池技术发展的需要，下一代电池的开发对能量密度以及循环寿命都有更高的要求，未来负极材料也逐渐从碳材料过渡到硅以及硫化物体系。而硫化物或硅材料有极高的能量密度，但硅的体积膨胀以及硫化物或金属负极的敏感性会给电池带来新的安全隐患。

PALD 原子层沉积包覆

而仅仅考虑安全性，含有富镍 Ni-Mn-Co 氧化物的锂电池需要改进界面稳定性和电解质和隔膜系统才能通过当前的安全测试标准。一种较为普遍的做法是对电极材料进行陶瓷涂层的包覆改性。

我们在（粉末原子层沉积技术助力电池安全）中介绍了 ForgeNano 的 PALD 技术的应用，这种均匀，致密可控的纳米级包覆技术可以有效提升电池的性能以及安全性。通常，氧化物涂层具备良好的化学惰性，可以抵抗电解液的侵蚀，提供屏障作用和机械稳定性，有效改善了电极的界面性能。

TEM 拍摄的 ForgeNano 包覆的超薄纳米涂层的电极材料

而与其它方法相比，PALD 可以有效将包覆与掺杂结合，从而构筑更为精细复杂的表面涂层结构。其成本在控制得当的条件下，可被证明可应用于大规模的电极粉末包覆加工。

锂电池安全是一项系统性的工程，而提升其安全性的策略需要从失效分析入手，并指导电池的改性策略。而基于扫描电镜的微观分析技术和新兴的 PALD 包覆改性技术在产品研发和生产中会扮演越来越重要的角色。