飞行时间二次离子质谱测试二次电池及其关键材料实验方法 征求意见稿

T/SHPTA×—××××

ICS

T/SHPTA

飞行时间二次离子质谱测试二次电池

及其关键材料实验方法

Measuringmethodsforsecondarybatteriesandrelatedkeymaterialsby

TimeofFlightSecondaryIonMassSpectrometry

（征求意见稿）

在提交反馈意见时，请将您知道的相关专利连同支持性文件一并附上

xxxx-xx-xx发布xxxx-xx-xx实施

上海市塑料工程技术学会发布

I

飞行时间二次离子质谱测试二次电池及其关键材料实验方法

1范围

本文件适用于飞行时间二次离子质谱方法测试二次电池及其关键材料相关的实验方法。二

次电池包括且不限于锂离子二次电池、锂聚合物电池、钠离子电池、钾离子电池、镁离子电

池、锌离子电池、镍氢电池、镍镉电池、铅蓄电池等。关键材料包括二次电池正极材料、负极

材料、隔膜材料、电解质、集流体等。

本文件只适用于对二次电池及其关键材料进行飞行时间二次离子质谱测试提供指导和判

定，而不适用于对其他领域材料进行实验。根据测试目的不同，样品可以是用于二次电池的各

类原始材料、中间材料、半成品或者从二次电池中取出的各种材料或器件。

2规范性引用文件

下列文件中的内容通过文中的规范性引用而构成本文件必不可少的条款。其中，注日期的

引用文件，仅该日期对应的版本适用于本文件；不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有

的修改单）适用于本文件。

GB/T40129表面化学分析二次离子质谱飞行时间二次离子质谱仪质量标校准

GB/T2918塑料试样状态调节和试验的标准环境

3术语和定义

下列术语和定义适用于本文件。

3.1二次电池Secondarybatteries

又称“蓄电池”，即电池放电后可用充电方法使活性物质复原以后能够再放电，且充放电能

反复多次循环使用的一类电池。

3.2飞行时间二次离子质谱TimeofFlightSecondaryIonMassSpectrometry（TOF-SIMS）

是通过用一次脉冲离子源轰击样品表面，激发出极其微量的二次离子，根据二次离子因不

同质量而飞行到探测器的时间不同来测定离子质量的测试技术。

4仪器设备

本测试仪器设备主要为飞行时间二次离子质谱仪，辅助设备主要有手套箱等。

4.1一次离子源

飞行时间二次离子质谱仪所采用的一次离子源推荐使用金属铋（Bi）离子源，也可使

1

用Ga、Au、C60离子源；使用非Bi离子源时需要在结果呈现时给予注明。Bi离子源优先使

++++++++++++++

用Bi3，也可使用Bi、Bi、Bi2、Bi3、Bi4、Bi5、Bi5、Bi7，使用非Bi3离子源时需

要在结果呈现时给予注明。

4.2质量分辨率

使用高质量分辨模式进行测试时，飞行时间二次离子质谱仪的质量分辨率：m/m

++

≥3000（校准质量分辨率时应选硅晶圆表面并采用25～30keV脉冲Bi3一次离子源分析，

以m/z=28(Si+)和29(SiH+)作为基准）；使用高空间分辨模式进行测试时不做具体要求。

4.3空间分辨率

使用高空间分辨率模式进行测试时，飞行时间二次离子质谱仪的束斑直径（Beamsize）应

优于100nm；在使用高质量分辨率模式进行测试时，飞行时间二次离子质谱仪的束斑直径应优

于1µm。

4.4主腔体真空度

采谱测试时，设备主腔体真空要优于8.0×E-6Pa。

4.5信号强度

测试采谱时，信号强度（计数率）应≥4000（高质量分辨模式下采谱硅晶圆标样或ITO硅

片）。

5样品

样品在加工制备、保存运输过程中应尽量避免表面被污染。任何时候，被分析样品

的测试面都应尽量少地挤压或碰触。

样品应无磁性、无腐蚀性、无放射性；样品熔点一般不应低于50℃；测试样品在高真

空下应稳定、不分解、不挥发，避免释放水汽等小分子影响设备主腔体真空度。

5.1样品类型

按被测试样品的形貌状态，二次电池及其关键材料的类型有：粉末样品、片状样品、块状

样品。

按被测试样品是否能在大气环境下较长时间存放而不变质，二次电池及其关键材料的类型

有：常规样品、需惰性气体保护样品。

5.2样品外观及要求

样品测试区域应露在样品表面并尽可能光洁平整、无毛刺或突起的纤维。样品表面

可经CP或FIB加工处理，特殊测试要求可由委托方与被委托方协商确定。

测试样品应采用防潮防污染的包装，一般不应用双面胶粘结固定，也不宜用有黏性的塑

料袋或塑料膜进行遮盖，建议采用干净的玻璃瓶，或先用干净铝箔纸包起样品后再放入自封

袋、塑料盒等容器。

样品包装应标明：送样人、样品编号、是否有毒、是否需手套箱制样及特殊要求等。样

品有正反面之分的还应明确标明测试面；有特定测试位置或微区的，还应附以文字、颜色、

形状、粗糙度、花纹、记号或照片等方式辅以说明，且测试微区应肉眼或40倍光学放大镜下

2

可区分观测。一个包装内有多个样品的，还应对每个样品进行独立标记。

5.3样品质量及尺寸

粉末样品应干燥且均匀，提供样品量应不少于1~5mg。片状或块状样品单个尺寸直径

应小于14.0mm，厚度小于10.0mm，进行深度剖析测试的样品，面积应不小于5mm×5

mm。

5.4样品的保存与转移

测试样品应存放在清洁、干燥、阴凉的操作台或洁净间内。无论常规样品还是需惰性气体

保护的样品，均不可长时间暴露在空气中，以免灰尘落在测试表面影响测试结果。

样品转移时，片状、块状样品应固定牢固，避免样品翻转混淆测试面，以及测试面与容器

过多摩擦造成样品污染；需惰性气体保护的样品或需避光保存的样品，还应密封或避光处理后

再运输。

需惰性气体保护的样品应真空密封包装或使用真空转移装置，直接把样品从手套箱转移到

设备进样室，从而避免样品暴露在空气中。

5.5样品测后处置

测后需回收的样品应提前说明。测后废弃的样品应按固体危废物进行分类处置，金属锂、

钠等材料应妥善处置，避免火灾危险。

6实验环境要求及前处理

6.1实验环境要求

实验室环境应保持温度相对一致、湿度不宜过大。推荐测试环境温度为23℃±2℃、相对

湿度50%±10%；样品制备、样品检查及前处理时，除特殊约定条件外，实验环境温度应在

18℃～28℃、相对湿度应≤60%。

6.2样品检查及前处理

进样测试前，应检查样品的状态，包括样品测试面粗糙度、样品是否氧化分解、是否变质

失效。样品需要前处理的还应完成相应的前处理要求，比如极片被拆解后，应使用合适的溶剂

清洗表面电解液并在手套箱中烘干。

6.3设备技术要求确认

样品完成进样后，在开始采谱测试前，需按4.4～4.5对设备技术要求进行确认。若技术要求

与本文件有偏离，应在结果呈现时予以注明。

7实验方法

3

按测试目的和数据呈现不同，飞行时间二次离子质谱测试实验分为表面质谱分析、表面离

子成像（Mapping）分析、深度剖析三种。

7.1实验方法A：表面质谱分析

表面质谱分析指：使用一次离子源在样品表面（1～2nm深度）指定区域进行扫描，并同步

采集激发出的二次离子质谱数据（原子离子、分子离子），通过质谱数据所检测到的二次离子

的质荷比来确定样品表面的元素组成及分子结构信息等。

表面质谱分析默认采用高质量分辨模式采谱，默认包含正离子采谱数据与负离子采谱数

据，且正负离子采谱测试条件需一致。主要测试条件可参照以下几点进行设置：

++

（1）一次离子源类型：在使用Bi作为一次离子源进行分析时，优先使用Bi3离子进行分

析；如果只关注样品的元素组分（如金属无机材料），可以采用Bi+离子进行分析，以增加二次

离子产额。

（2）束斑大小：在进行表面采谱分析时，束斑直径应大于1µm。

（3）采谱像素密度：不低于256×256pixels。

（4）采谱面积：均匀材质采谱面积默认为100µm×100µm；颗粒等非匀质材料采谱面积应

根据样品实际情况选择，且应在结果呈现时予以注明。

（5）采谱质量范围：采谱质量范围应不低于0～1000amu（高于1000amu应在送样时提前

说明）；也可根据样品和测试需求灵活调整，比如金属无机材料如果只关注元素组分，采谱质

量范围可为0～500amu。

（6）采谱时间：每个离子极性采谱模式下，采谱时间应视一次离子源在分析微区表面的扫

描帧数而定，采谱时间应不少于3分钟。

（7）是否开启荷电中和：如果样品表面导电性较好、采谱时谱峰无拖尾，无需开启荷电中

和；导电性差的样品（质谱图信号弱、谱峰拖尾变形等）则需要开启荷电中和进行测试，且结

果呈现时需注明。

（8）其他：粉末颗粒样品建议压片后测试；极片和块状样品需尽量选择平整光滑区域进行

测试；表面有吸附或污染的样品建议采用低能氩离子源或团簇离子源清洁几个纳米后再采谱测

试；测试有机样品或高分子材料时根据需求选择是否采用串联质谱（MS/MS）功能。

7.2实验方法B：表面离子成像（Mapping）分析

表面离子成像（Mapping）分析指：使用一次离子源在样品表面特定区域进行扫描采谱，

并获取目标组分所对应的特征二次离子（原子离子、分子离子）在测试面积内的二维分布影

像。根据测试样品表面的物理形貌特点，表面离子成像测试可以选择高质量分辨模式（Branch

mode）或高空间分辨模式（UBmode）。

表面离子成像分析一般先用光学辅助定位至特定区域再进行采谱分析，默认包含正离子采

谱数据与负离子采谱数据，且正负离子采谱测试条件需一致。若待测区域表面光滑平整，可采

4

用高质量分辨模式（采谱模式）进行采谱和离子成像；若待测区域的表面粗糙（一般认为粗糙

度≥5µm），则需要采用高质量分辨模式（采谱模式）进行采谱分析，再用高空间分辨模式进

行离子成像分析。主要测试条件可参照以下几点进行设置：

++

（1）一次离子源类型：在使用Bi作为一次离子源进行分析时，优先使用Bi3离子进行分

析；如果只关注样品的元素组分（如金属无机材料），可以采用Bi+离子进行分析，以增加二次

离子产额。

（2）束斑大小：在进行表面成像分析时，应选择较小的光阑进行测试；高空间分辨率模式

下束斑直径应优于100nm。

（3）采谱像素密度：不低于512×512pixels，如需获得更高空间分辨率的离子影像，可采

用512×512pixels及更高像素密度。

（4）采谱面积：采谱面积依据样品的形貌特征和需求而定，超过600µm×600µm面积的区

域需进行拼接成像。

（5）采谱质量范围：采谱质量范围应不低于0～1000amu（高于1000amu应在送样时提前

说明）；也可根据样品和测试需求灵活调整。

（6）采谱时间：应依据目标组分离子信号强度进行调整。高质量分辨率模式进行成像分析

时，每个离子极性采谱模式下，采谱时间应视一次离子源在分析微区表面的扫描帧数而定，采

谱时间应不少于3分钟；高空间分辨率模式进行成像分析时，由于束流较小，应根据采谱时样品

信号强度适当增加采集帧数或采谱时间。

（7）是否开启荷电中和：表面离子成像分析时，应根据样品表面的导电性和二次离子像的

亮度均一性决定是否开启荷电中和。如果样品表面导电性较好，采谱时谱峰无拖尾、二次离子

像亮度均匀，无需开启荷电中和；如果样品表面导电性较差，采谱时谱峰有拖尾，且二次离子

信号聚焦性较差，二次离子像亮度不均一，则需开启荷电中和进行测试。

7.3实验方法C：深度剖析

深度剖析指：在一次离子源对样品表面特定区域进行采谱分析的间隔，使用溅射离子源

（包括但不限于氩源、铯源、氧源、团簇离子源等）对样品表面进行剥离与刻蚀，通过溅射离

子源和一次离子源交替工作的方式，获得样品表面至溅射深度范围内的二次离子计数值强度变

化，从而获得目标组分从表面到深度的三维分布情况。深度剖析数据包括质谱图、离子图像、

深度剖析曲线及3D成像等。溅射（刻蚀）离子源需根据测试样品不同材料的基体效应选择，刻

蚀条件也应根据不同的膜层结构来选择。

深度剖析根据样品特性及测试需求，若需要剖析特定区域可利用光学辅助定位，甚至表面

离子成像辅助定位再选定特定测试区域。深度剖析一般为正离子采谱或负离子采谱，若关注全

成分则建议正负离子都进行深度剖析测试。深度剖析默认采用高质量分辨模式进行采谱，主要

测试条件可参照以下几点进行设置：

5

（1）采谱条件：深度剖析采谱面积一般≤100µm×100µm，采谱质量范围一般为0～1000

amu，采谱像素密度应不低于256×256pixels，单次采谱周期的采谱时间设置应与选用的采谱

像素密度、采谱质量范围、信号强度等有关。其他采谱条件可参照7.1、7.2部分进行设置。需

要注意的是整个深度剖析过程中各采谱条件不应改变。

（2）刻蚀条件：溅射（刻蚀）离子源的类型选择主要有Ar单离子源、Ar团簇离子源

（GCIB）、氧离子源、C60离子源、Cs离子源等，需根据样品材料特性及膜层性质选择适合的

离子源类型及适合的刻蚀条件。

对于无机组分为主的膜层结构，推荐使用Ar单离子源或Cs离子源（对氧不灵敏的材料，

正离子深度剖析时还可以选择氧离子源）；对于有机膜层结构，推荐使用Ar团簇离子源

（GCIB）或C60离子源。

溅射面积的直径或边长应为对应采谱面积的直径或边长的3倍以上。溅射电压、电流等条

件及刻蚀时间间隔应参考所选离子源标样溅射速率及测试需求综合选择，但溅射总时长一般不

超300min。溅射时若样品导电性较差，也可在溅射过程中使用中和功能，甚至每个溅射周期结

束后再开中和一定时间。

8实验数据处理

8.1质谱数据处理：谱峰校准、质谱峰的定性判定、质谱数据保存和导出。

8.2成像数据处理：谱峰校准、谱峰定性、像素点密度选择、图像的亮度和对比度调整、图像保

存和导出。

8.3深度剖析数据处理：谱峰校准、谱峰定性、溅射终点的判断、原始数据深度剖析曲线的导出

和绘图、谱峰归一化处理（如需要）、膜层界面的确定、溅射深度估值等。

8.43D数据处理：3D数据选择、颜色选择、角度调整、平滑因子（系数）调整、3D数据背底扣

除、阈值调整、Overlay处理、3D图片保存与导出等。

9实验报告

实验报告应包括下列内容：

a）样品标识：样品材料信息、数量、形态及测试需求描述，必要时还需提供样品图片；

b）依据标准；

c）测试类别：表面离子质谱、表面离子成像、深度剖析等；

d）设备厂家与型号；

e）主要测试条件参数：正离子采谱/负离子采谱、采谱面积、溅射面积、参考溅射速率等

6

主要测试条件参数；

f）数据结果：质谱数据、离子成像图、深度剖析曲线、3D图等；

g）任何偏离本标准要求的情况；

h）测定过程中出现的异常现象及其说明；

i）报告完成人姓名、日期。

7

A

附录A

（规范性）

测试条件选择参考

A.1测试条件选择参考

常用的测试条件选择如表A.1所示。

表A.1飞行时间二次离子质谱常用测试条件选择参考

一次离

Bi离子源采谱优采谱面积采谱m/z范围深度剖析溅射标样刻蚀速率深度剖析理论

模式选择

子源种类先模式边长(um)(amu)离子源选择(nm/min)深度(nm)

Bi+

++

BiAr单离子源

Bi+

Bi2BranchmodeAr团簇离子源

+

GaBi30～12000高质量分辨率（GCIB）

Postive

++

AuBi30.1～6000～1850（开氧离子源2.5～1601～2000

Negative

C60+UBmode

Bi4中和时）C60离子源

其他

+高空间分辨率离子源

Bi5Cs

++其他

Bi5

+

Bi7

8

T/SHPTA×—××××

参考文献

[1]GB/T40129-2021表面化学分析二次离子质谱飞行时间二次离子质谱仪质量标校准

[2]ISO13084-2018Surfacechemicalanalysis—Secondaryionmassspectrometry—Calibration

ofthemassscaleforatime-of-flightsecondaryionmassspectrometer

[3]李国欣.新型化学电源技术概论.上海：上海科学技术出版社，2007.

[4]GB/T2918-2018塑料试样状态调节和试验的标准环境

[5]ASTME1504-14StandardPracticeforReportingMassSpectralDatainSecondaryIonMass

Spectrometry(SIMS)

[6]ASTME1635-06StandardPracticeforReportingImagingDatainSecondaryIonMass

Spectrometry(SIMS)

[7]ASTME1829-14StandardGuideforHandlingSpecimensPriortoSurfaceAnalysis

[8]ASTME1078-14StandardGuideforSpecimenPreparationandMountinginSurfaceAnalysis

9

—

×××

PTA

20××20

T/SH

上海市塑料工程技术学会

团体标准

飞行时间二次离子质谱测试二次电池及其关键材

料实验方法

T/SHPTA×××—20××

※

上海市塑料工程技术学会标准化委员会编印

上海市闵行区浦星公路1969号40幢923室（200020）

电话/p>

邮箱：shsuliaoxuehui@126.com

版权专有侵权必究

T/SHPTA×—××××

前言

本文件按照GB/T1.1-2020《标准化工作导则第1部分:标准化文件的结构和起草规则》的

规定起草。

本文件由上海市塑料工程技术学会提出。

本文件由上海市塑料工程技术学会标准化委员会归口。

本文件起草单位：

本文件主要起草人：

请注意本文件的某些内容可能涉及专利。本文件的发布机构不承担识别这些专利的责任。

本文件文本可登录全国团体标准信息平台()“SHPTA标准工作平台”下载。

本文件版权归上海市塑料工程技术学会所有。未经事先书面许可，本文件的任何部分不得

以任何形式或任何手段进行复制、发行、改编、翻译、汇编或将本文件用于其他任何商业目

的。

II

飞行时间二次离子质谱测试二次电池及其关键材料实验方法

1范围

本文件适用于飞行时间二次离子质谱方法测试二次电池及其关键材料相关的实验方法。二

次电池包括且不限于锂离子二次电池、锂聚合物电池、钠离子电池、钾离子电池、镁离子电

池、锌离子电池、镍氢电池、镍镉电池、铅蓄电池等。关键材料包括二次电池正极材料、负极

材料、隔膜材料、电解质、集流体等。

本文件只适用于对二次电池及其关键材料进行飞行时间二次离子质谱测试提供指导和判

定，而不适用于对其他领域材料进行实验。根据测试目的不同，样品可以是用于二次电池的各

类原始材料、中间材料、半成品或者从二次电池中取出的各种材料或器件。

2规范性引用文件

下列文件中的内容通过文中的规范性引用而构成本文件必不可少的条款。其中，注日期的

引用文件，仅该日期对应的版本适用于本文件；不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有

的修改单）适用于本文件。

GB/T40129表面化学分析二次离子质谱飞行时间二次离子质谱仪质量标校准

GB/T2918塑料试样状态调节和试验的标准环境

3术语和定义

下列术语和定义适用于本文件。

3.1二次电池Secondarybatteries

又称“蓄电池”，即电池放电后可用充电方法使活性物质复原以后能够再放电，且充放电能

反复多次循环使用的一类电池。

3.2飞行时间二次离子质谱TimeofFlightSecondaryIonMassSpectrometry（TOF-SIMS）

是通过用一次脉冲离子源轰击样品表面，激发出极其微量的二次离子，根据二次离子因不

同质量而飞行到探测器的时间不同来测定离子质量的测试技术。

4仪器设备

本测试仪器设备主要为飞行时间二次离子质谱仪，辅助设备主要有手套箱