使用Clarity提升锂离子电池正极材料的EBSD表征结果
Figure 1. EBSD IPF orientation maps of NMC cathode particles used in lithium-ion batteries were obtained using the Clarity direct detector. For Figure 1a, the data was collected at 20 kV acceleration voltage and 1.6 nA beam current. The black points represent measurements that could not be analyzed with high confidence. For Figure 1b, the data was collected at 10 kV acceleration voltage and 400 pA beam current. The characterization of the grains within the primary particle is much better. No data cleanup routines were used for these figures.
引言
高性能锂离子电池可用在储能，电动车和电子设备上，其需求在不断增长。这些电池通常使用层状阴极材料，最常见的一种是LiNixMnyCozO2 (NMC)。 NMC材料通常为多晶颗粒，颗粒内的晶粒尺寸，取向和晶界结构会影响电池的充放电性能和老化行为。在扫描电镜（SEM）中，电子背散射衍射（EBSD）是一种理想的测量取向的显微分析技术，可表征材料的微观结构。但是，由于NMC晶体的晶粒尺寸和严格的样品制备要求，在典型的EBSD分析条件下很难达到较好的效果。因此，本工作中使用EDAX® Clarity™ 直接电子检测探测器以较低的能量和束流采集数据，以提高EBSD空间分辨率。
结果与讨论
使用低能宽束离子抛光制备NMC层的横截面，制备的表面可产生高质量EBSD花样。 理想情况下，以这种方式制备的锂离子电池样品应立即使用真空交换系统转移到SEM中，Gatan的PECS™ II系统可提供这种配置。 但是，本工作中，在进行EBSD分析之前将其暴露于大气中进行运输，导致了样品表面老化。
该EBSD数据是使用EDAX Clarity EBSD探测器，用APEX 2.0软件采集的。 该系统不用磷屏，无需光学耦合系统，使用像素化的传感器直接检测衍射的电子信号，从而在低能和低束流下实现了更高的灵敏度和更好的性能。 图1a显示了在20 kV加速电压和1.6 nA束流下采集的EBSD反极图（IPF）面分布，速度约为每秒45点/秒。 其中，见彩色IPF三角形，不同颜色对应不同的晶体取向。该图中的黑色区域对应具有低置信度因子的点，表明该处无法可靠地分析采集的EBSD花样。
这些黑点中的大多数对应于在阴极层中使用的粘结材料。但是，对于该图像中心的NMC多晶大颗粒，在颗粒内的晶粒之间也存在明显的黑色区域。这是由于在采集接近晶界处的数据时，在此加速电压下，相互作用区域分布在多个晶粒上，导致EBSD花样质量下降。注意，单晶颗粒的标定结果更加可靠。图1b显示了以相同的速率从不同的颗粒采集的IPF图，同时电子束剂量降低到10 kV电压和400 pA束流。电子剂量的减少也提高了多晶NMC颗粒内的空间分辨率及微观结构表征效果，使晶界结构与老化行为相关。无需使用透射菊池衍射（TKD）的薄样品，Clarity即可提升空间分辨率。此外，较低的电子束剂量也会减少放电效应，这对于使用不导电粘合剂材料的样品很重要。
在这些示例中，未使用clean-up进行数据处理，仅显示IPF相应颜色。 将IPF图与EBSD图像或图案质量灰度图叠加使用，可能掩盖在晶界处的标定结果。 由于花样重叠，晶界附近的图像质量（IQ）值降低，因此IQ值的深色阴影将掩盖较低置信度的标定结果。 了解这些组合的衬度如何影响对数据的理解非常重要，尤其是在评估标定性能时。
结论
Clarity直接电子探测器使用更低电压更低束流，减少电子与样品相互作用区域，从而提高了EBSD空间分辨率。这改善了用于锂离子电池的NMC阴极材料的表征结果，并有助于理解和改善这些材料的性能。
参考文献
1. Quinn et al. (2020) Electron Backscatter Diffraction for Investigating Lithium-Ion Electrode Particle Architectures. Cell Reports Physical Science 1,100137.