一、天目湖先进储能技术研究院介绍
天目湖研究院是中科院物理所跟溧阳成立的长三角物理研究中心，下设几个公共技术平台，天目湖研究院就是其中做电池技术的开发、服务以及孵化的平台。物理所其他技术，包括太阳能、金属电池、易用物理材料等，在溧阳整体形成了一个科技成果转化的平台基地。
研究院主要类型是做科技服务，包括一些标准化，我们有一套从电池材料的理化检测到电池试制、中试水平，以及到电性能、安全性、可靠性的检测。还有研究型、服务型的科技服务，包括技术的委托开发等，主要是以这样一些内容为主。
电芯中试，主要是用来评测材料体系，以及从小软包到方形、铝壳一些后面终端应用电池初步的验证。 我们还建了从材料到工艺跟过程相关的，比如包覆、混浆、涂布、烘干等过程的模拟仿真，还有跟中科院物理所合作的跟材料相关的理论计算，还有在电芯层级里面的一些模拟仿真。
现在大家一说到失效，比较多想到还是跟起火、爆炸热失效有关，对一个电芯来讲，自然失效，包括容量衰减，以及异常容量衰减，像跳水或一致性差等条件下引起的容量衰减失效，使用性能失效也是电芯要经历的阶段。目前我们做得更多的是这一块工作。
这个工作是我们在2015年和中科院物理所李泓老师的团队一起开始做的，刚开始他们在这篇文章里有一个比较详细的归类，看起来非常复杂。
结合电芯结构，做一个分类，可能会涉及到引起电芯电性能失效，有材料组分以及结构的变化，还有电化学反应过程中带来一些失效，另外还有跟界面、体相相关的变化引起的失效。在组分方面，充放电过程中，活性材料的结构变化，还有一些正极材料里过渡金属离子溶出。在电化学反应方面，我们在讨论锂枝晶生长，SEI膜生长，以及SEI膜成分的分析，还有体相变化，包括粘结剂在循环过程中的一些不均匀分布，包括隔膜了透气性变差或其他极片剥离等，会从这些方面入手分析它的失效现象。
案例，比如对于负极侧来讲，容量失效电芯负极可能会出现石墨结构坍塌，这可能跟石墨在锂脱嵌过程中剥离有关系。在拉曼峰上，特征参数变化也说明了石墨在循环过程中无序度增加。关于过渡金属溶出问题，可以在负极侧里明显观察到有铁元素聚集。
电化学方面，从更微观的角度去看到锂枝晶生长的过程，这里用俄歇能谱，其特点是在于在微观界面下可以去表征它的元素的存在。从这里可以看出锂元素在电极材料表面出现，也验证了锂沉积的过程。针对有锂沉积现象的电芯，再去分析电解液，发现析出来的锂会进一步参与到电解液里的反应，这样的现象也是跟锂沉积下来之后的反应过程能够吻合的，能把这些现象串联起来。
跟SEI膜相关，会对它做一些冷冻电镜下面的观察，还有用XPS分析它的成分。
体相及界面变化，用二次锂离子质谱观察CMC跟SBR里特征的锂离子碎片，可以看到失效的电芯里，负极材料集流体两侧有粘结剂，说明结构已经发生了变化。从断面可以看到极片和集流体之间的剥离，还有隔膜的孔再循环过程中已经有部分被堵上，从透气性数据里能够验证这个点。
整体听起来内容非常多，非常复杂。我们认为从材料到电芯端失效分析的过程是体系工程，在电池里，从正向开发角度来讲，是很容易被理解的过程，把这些材料组合起来，按照电芯设计的方式，能够推断出它的一些性能。现在需要从逆向分析，从这些现象反推哪个组成部分里发生了问题，事实上大的思路是一样的。
1.问题时，分析手段要比较精确。
2.失效分析过程中，希望能够达到机理知识化、技术标准化、数据平台化。
3.希望能够从电芯端结合到模组到系统，建立多层级失效演变分析量化关联关系。
从人机料法环的内容展示失效分析的方法。针对各种主材、辅材的关键参数，都要有非常标准的测试方式，希望这些测试方式在设备上能够实现。针对锂电池对空气敏感的特点，像互联系统以及真空样品转移装置，保证样品在转移过程中不受污染。
在前面基础上，再针对电池里面的失效机理基础上，开发储能电池或动力电池电芯诊断方法，再把这些方法能够流程化和标准化，最终希望能够得到的是电芯在失效过程中原因的定性和定量。
操作过程中，通常对电芯进行无损+有损的分析。这里碰到一个困难，通常分析方法是一种对比的分析方法，从容量衰减分析角度，对比是一只正常的电芯跟一只出了问题的电芯，但是会发现很多种方法测下来，差别不大，但事实上从性能来讲又产生了一些变化，所以后面会在这些方面从寻微小的变化里去看失效分析情况，还是以这样一个容量衰减、容量跳水
的案例来看。
衰减电芯里，发现不出异常，也没有胀气，也没有极片变形和错位等问题，拆开之后，无论是在正常区域还是卷绕角，在这些区域里都没有发现一些异常区域，拆开来看，扫描电镜时，除了异常电芯表面，表面覆盖物SEI膜可能多一些之外，其他差别也不大。
从极片断面分析，可以看到一些差别。极片厚度不均匀，因为在异常电芯里出现了裂纹，另外从元素分析里发现导致反应异常的区域是覆盖整个电芯的，而不是其中单独一块。
用XPS分析表面膜成分时，发现无论是碳谱、氧谱还是氟谱，分位基本上都是一致的，但是信号强度有比较大的差别。比如氟谱的信号有数量级的差别。XPS，可以通过刻蚀的作用，从负极角度来讲，如果碳含量达到80%时，就认为SEI膜已经被刻蚀的差不多了，所以从刻蚀角度来讲，失效电芯SEI厚度显著更厚一些。
把刻蚀完之后谱图进行对比。XPS以前在科研里的应用领域很多，但是到了产业里，大家会说数据比较复杂，而且拟合过程中可能会带有一些主观性因素。事实上这几年XPS在产业里的应用比我们以前想像多很多，还是得益于它能够提供很多谱图、产物分析。从XPS数据里
可以看出，这些产物的差别，电芯失效与里面的水分异常有关系。后续把分析结果提供给客户之后，他们也做了一些排查，发现确实有关系的。
三、表界面分析方案介绍
界面分析非常困难，我们研究院在界面分析里投入设备的资产也是整个研究院里占比较高的，为了更好开发这些设备功能，还跟这些设备成立了联合实验室，设备工程师帮我们一起使用设备。
案例：金属锂表面分析展示
金属锂采用不同处理方式之后，检测表面成分，用二次锂离子质谱来做的。谱图中可以发现，存放在手套箱中的金属锂表面也是不干净的。里面也测到氢型化锂成分。
案例：石墨负极表面Mn浓度分析
经过高温搁置的锰酸锂，虽然用SP显示，锰含量数量级是差不多的，但是用二次离子质谱刻蚀它的时候，发现分布还是有比较大的差异，高温存储锰含量相当于沿Z方向一直有分布，但是没有经过高温的还是在表面比较多一些。
小结：表界面成分和结构复杂且厚度在nm级别，分析难度大，测试标准需要标准化；通过对电池中的表界面进行综合系统的测试与分析，可以加深对表界面的认识；建立从材料到器件以及全寿命周期表界面数据库，有助于电池技术的开发。
我们未来想要在失效分析方面再开展的一些方向。测试高精度表征满足实际产品分析的指标量化。机理知识化、技术标准化、数据平台化。材料-电极-电池模组，多层级失效演变分析量化关联关系。
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