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【Micro-CT】在鋰離子電池中的應(yīng)用——量化分析Li+負(fù)極相

來源：時間：2022-12-02 09:52:24 瀏覽：1940次

【研究背景】

近年來，鋰離子電池(LIB)因具有能量密度高、比功率大、循環(huán)壽命長等優(yōu)勢是儲能領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，但是LIB的電化學(xué)、傳輸、機(jī)械、形態(tài)和傳熱特性對電池及其組件材料有巨大的影響，導(dǎo)致LIB的優(yōu)化極具挑戰(zhàn)性。其中，Li+在負(fù)極的充放電能力受幾何結(jié)構(gòu)、傳輸特性和負(fù)極中組成相的形態(tài)參數(shù)的影響。從實(shí)驗(yàn)和計(jì)算兩方面研究發(fā)現(xiàn)電極規(guī)格、粘合劑與導(dǎo)電添加劑的組成比、粒徑等對電池性能有不同的影響。雖然聚焦離子束/掃描電子顯微鏡能夠非常詳細(xì)地分辨樣品結(jié)構(gòu)，但是會一定程度的破壞成像樣品，而X射線斷層掃描作為一種非破壞性成像技術(shù)，因具有研究LIB元件的價(jià)值而備受關(guān)注。

【研究成果】

近日，美國阿拉巴馬大學(xué)亨茨維爾分校的Partha P. Mukherjee和 George J. Nelson（共同通訊作者）等人采用X射線顯微斷層成像技術(shù)（μCT/Micro-CT）對原始Li（Ni1/3Mn1/3Co1/3）O2（NMC）負(fù)極樣品進(jìn)行了不同處理方法成像。利用兩種方法制備顯微斷層前的樣品，將試樣澆注在環(huán)氧樹脂中，只產(chǎn)生負(fù)極活性區(qū)。應(yīng)用相位對比功能，可以更好地理解加工形態(tài)關(guān)系，以提高跨多個尺度的整體電池性能。該工作以題為“Quantifying Transport, Geometrical, and Morphological Parameters in Li-Ion Cathode Phases Using X?ray Microtomography.”發(fā)表在著名期刊ACS Appl. Mater. Interfaces上。

【圖文解讀】

X射線斷層成像是一種利用數(shù)位幾何處理后重建的三維放射線醫(yī)學(xué)影像。該技術(shù)主要通過單一軸面的X射線旋轉(zhuǎn)照射物體，由于不同的結(jié)構(gòu)X射線的吸收不同，可以用電腦的三維技術(shù)重建出斷層面影像。將斷層影像層層堆疊，即可形成立體影像。

圖1、四種不同處理方法的負(fù)極的重建、圖像分割和渲染過程

μCT/Micro-CT測量完成后，使用TomoPy中的濾波反投影算法重建傳輸圖像。利用分水嶺分割技術(shù)，從樣本區(qū)域中單獨(dú)分割A(yù)M。如圖1c所示，從電極中提取相位對比數(shù)據(jù)。對負(fù)極樣品進(jìn)行相位分割，得到三個不同的區(qū)域：AM、大孔和組合CBD。

圖1（a）所有樣品的斷層重建方法；（b）使用分水嶺方法進(jìn)行AM分割；（c）應(yīng)用于Kapton膠帶樣品的二次相位分割；（d）三個不同階段的3D圖：碳/粘合劑、孔隙和四個不同處理的負(fù)極樣品的AM。

圖2、大體積電極的微觀結(jié)構(gòu)表征

回旋孔隙網(wǎng)絡(luò)的傳輸阻力不僅取決于孔隙體積，而且還取決于以曲折度為特征的內(nèi)在連通性。作者利用μCT/Micro-CT發(fā)現(xiàn)：因?yàn)殡姌O是由眾多RVE組成，所以體積單元（RVE）尺度的曲折度與其在電極尺度下的值不同；同時，電極尺度彎曲度與其RVE尺度對應(yīng)物有關(guān)，復(fù)合電極包含多個相以促進(jìn)不同的傳輸過程；通過求解穩(wěn)態(tài)濃度場來評估孔隙和CBD區(qū)域的彎曲度以及產(chǎn)生的有效擴(kuò)散系數(shù)，類似的方法可以應(yīng)用于CBD中的勢場以產(chǎn)生有效的電導(dǎo)率。

【本文小結(jié)】

作者利用μCT/Micro-CT對多個負(fù)極相的微觀結(jié)構(gòu)和算法研究進(jìn)行了建立，并重點(diǎn)研究了Li+負(fù)極的制備方法對電極整體性能的影響。目前的工作證明了μCT/Micro-CT能夠同時測試多個負(fù)極相的能力。將這種實(shí)驗(yàn)表征與數(shù)值研究相結(jié)合，進(jìn)一步揭示了加工對微觀結(jié)構(gòu)形態(tài)，負(fù)極傳輸行為和電池性能的影響。

題目：Quantifying Transport, Geometrical, and Morphological Parameters in Li-Ion Cathode Phases Using X ray Microtomography. ACS Appl. Mater. Interfaces, 2019, DOI: 10.1021/acsami.8b22758。

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