在當今社會，智能手機和平板電腦等電子設備正成為人類日常活動的重要組成部分。這些電子產品不斷發展，使其結構更緊湊、重量更輕，這也就對電池的功率輸出和壽命提出了越來越高的要求。為了使鋰離子電池在每個充電周期實現更高的功率密度和更長的壽命，要評估和開發電池組件的不同化學成分。

本文介紹了激光誘導擊穿光譜(LIBS)對鋰離子電池重要元件化學組成的關鍵元素進行深度分析的能力。

典型的元素分析技術，如ICP-OES和ICP-MS，不能揭示這些部件的結構信息。另一種流行的元素分析技術XRF無法為鋰離子電池電極的重要元素提供元素覆蓋，例如Li、B、C、O、F、N。其它表面和深度分析技術，需要結構復雜的真空儀器，如二次離子質譜（SIMS）、輝光放電質譜（GD-MS）、俄歇電子能譜（AES）和X射線光電子能譜（XPS），檢測速度慢或價格昂貴。LIBS可提供鋰離子電池組件在實驗室或工廠的深度分析能力，具有快速、靈敏度高、精確度高、全元素分析等特點。

圖1 固態鋰離子電池典型器件結構

樣品分析：

本次分析使用了由鋰金屬(負極)、LiPON (固態電解質)和LiCoO₂ (正極)組成的樣品。

在分析之前，使用Applied Spectra的J200 LIBS(非檢測模式)先去除了圖1所示組件結構中的集流層，然后在充滿氦氣的樣品室中分析鋰離子電池樣品，以消除大氣中氧發射線的干擾，提高氧元素測量的準確性。數據分析使用Applied Spectra的LIBS數據軟件包。每一次脈沖激光產生的待測元素發射線均被監測，然后繪圖。待測元素包括Li、P、O、Co、Ti和Si。這些元素是代表負極、固態電解質、正極、電流導體和基質的主要元素。

圖2 鋰離子電池器件結構的元素深度剖析(鋰金屬負極、LiPON固態電解質、LiCoO₂正極和置于玻璃基板上鈦集電器)

在圖2中，將不同組分的特征元素與原子發射線的檢測數據相結合，很容易看出何時開始剝蝕電池的各個層。例如，鋰金屬負極的激光剝蝕會伴隨著強的鋰元素發射信號。剝蝕進入LiPON固態電解質層時，檢測到P發射信號。同樣，Co和O發射線可以用來跟蹤LiCoO₂正極層的剝蝕，并評估正極層內的相對成分變化。并且根據每個激光脈沖的剝蝕深度和每一組件層的剝蝕次數，我們亦可計算出每層電池組件的厚度。

由上可見，LIBS提供了一種快速且經濟有效的方法來了解不同鋰離子電池組件在多次充電循環或制造過程中漂移后可能產生的化學變化。分析速度快，適用于大量樣品的QC檢測。有了LIBS，鋰離子電池工業就可以在提高產品穩定性和產量的同時，監控工藝變化對關鍵化學組分的影響。

本文為富爾邦專業工程師整編