我认为，锂离子电池目前面临三大挑战。第一个挑战是如何进一步降低锂离子电池的成本，尤其是电动汽车（EV）的锂离子电池成本。别误会，锂离子电池的成本已经从 1990 年代的每千瓦时几千美元大幅降低到今天的每千瓦时约 100 美元。这已经是一个巨大的成就了。但为了加速电动汽车市场的渗透，我们必须进一步降低锂离子电池的成本。怎么做？我们必须降低材料和加工技术的成本。

这就带来了第二个挑战，那就是我们如何才能迅速建立起健康的国内锂离子电池生产和供应链？​​如果说制造电池，我们首先需要制造电池材料和部件——正极、负极、隔膜、电解液、电流连接器、包装材料甚至封口胶。这些材料多达数万吨，这确实是一个不小的挑战。即使我们已经有了足够数量的材料部件，我们也拥有庞大的电池生产线。谁来操作这些生产线？我们需要与不同背景、不同专业知识的人合作——从操作人员到博士——来实现这一目标。但他们在哪里？谁来当培训生？这是第三大挑战——电池研发和制造的劳动力发展。

电池主要由四个部分组成：阳极、阴极、电解质和隔膜。需要对它们进行化学分析，以检查组成这些部件的化合物的纯度。化学品的纯度很重要，因为纯度越高，性能越好、越安全。需要纯化学品时，就需要检测其中的杂质，因此需要高灵敏度的设备。所有这些高灵敏度测试设备都已存在。电池部件的分析挑战实际上在于确保在进行测试工作时不会受到污染。在实验室内，测试前体化学品的化学家必须小心，不要交叉污染这些样品。安全性实际上取决于化学品的纯度，需要高灵敏度的仪器来检查杂质。

锂离子电池每个组件和原材料的质量控制涉及多项测试和分析挑战。测试材料纯度是至关重要的部分，需要灵敏地检测微量元素和杂质以及可能影响电池性能和寿命的污染物。例如，锂盐水和锂盐往往具有高浓度的总溶解固体，表现出高背景信号，并且还含有高浓度的易电离元素，这可能导致不准确的结果。

测试电池稳定性和结构的主要挑战之一是观察电池循环过程中产生的气体。如果我们能够确定产生的气体种类、数量和速率，那么从化学反应的角度，我们就可以获得大量有关电池内部情况的信息。GC 和 GC-MS 是进行这种分析的最佳技术，因为您不仅可以确定产生的气体数量，还可以确定气体的性质（如果气体未知）。

还有一些额外的 GC 检测系统，它们非常灵敏，可以检测各种分析物，甚至包括不可燃的分析物。典型的 GC 火焰离子化检测器只能检测可燃物；因此，水分和氮等元素需要不同的检测系统技术。例如，屏障电离放电检测器能够在非常低的检测限内测量各种样品中的氢和水分。同样，我们有硫化学发光检测器，它可以高度稳定和灵敏地对各种硫化合物进行形态分析。热导检测器几乎可以检测任何物质，但会牺牲一些检测限。

有一些非常有价值的工具可用于评估电池在循环和使用寿命期间的内部结构。CT 扫描仪可以查看图像，这非常有帮助。除此之外，我们还可以看到电极材料上的晶体结构从锂、氧和锰发生变化，当锂离子从电极材料中流出时，剩下的就是氧化锰。剩余晶体的结构需要保持其强度，以保持电池本身的完整性。我们用来测量的工具是微型测试仪/微型拉力测试仪。对于 10 微米大小的晶体结构，我们可以查看破坏它所需的力，并测试电池在这些循环中是否会保持其完整性。

锂离子电池是一个复杂的系统，一旦发生故障，后果可能是灾难性的。即使是很小的污染物也可能导致快速热失控，从而引发火灾或爆炸。最大的挑战是锂离子电池组件的庞大尺寸和操作速度。任何分析技术都需要具有特殊的外形尺寸，以适应大尺寸的电池、模块和电池组，并以装配线的速度运行。锂金属氧化物组件与分层组件一起用于阴极。为了确保电池正常运行并防止可能导致火灾的热点，各层必须一致且无污染物。在生产的任何阶段引入的污染物也可能导致短路，从而导致快速热失控、火灾或爆炸。因此，使用先进的成像光谱和微分析方法对阴极进行 100% 质量控制检查非常重要，以确保阴极的结构和化学性质适当且一致。

阳极在材料一致性和性能方面面临类似的挑战。通过确保材料均匀性和成分完整性来保持一致性。还必须精确控制电极成分，以保持离子连通性并防止随着时间的推移而退化。

隔膜中的材料识别和一致性也很重要。隔膜的不一致也会导致热失控，特别是在极端条件下，例如德克萨斯州的高温或明尼苏达州的寒冷。由于组件尺寸，特别是当组合成电池模块或电池组时，需要有特定的外形尺寸和定制，以便能够将分析技术纳入材料生产线或生产线附近进行现场测试。