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【Micro-CT】在鋰離子電池中的應用——量化分析Li+負極相

來源：時間：2022-12-02 09:52:24 瀏覽：2268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)勢是儲能領域的研究熱點，但是LIB的電化學、傳輸、機械、形態(tài)和傳熱特性對電池及其組件材料有巨大的影響，導致LIB的優(yōu)化極具挑戰(zhàn)性。其中，Li+在負極的充放電能力受幾何結構、傳輸特性和負極中組成相的形態(tài)參數的影響。從實驗和計算兩方面研究發(fā)現電極規(guī)格、粘合劑與導電添加劑的組成比、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地分辨樣品結構，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，因具有研究LIB元件的價值而備受關注。

【研究成果】

近日，美國阿拉巴馬大學亨茨維爾分校的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（μCT/Micro-CT）對原始Li（Ni1/3Mn1/3Co1/3）O2（NMC）負極樣品進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，只產生負極活性區(qū)。應用相位對比功能，可以更好地理解加工形態(tài)關系，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位幾何處理后重建的三維放射線醫(yī)學影像。該技術主要通過單一軸面的X射線旋轉照射物體，由于不同的結構X射線的吸收不同，可以用電腦的三維技術重建出斷層面影像。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，從樣本區(qū)域中單獨分割AM。如圖1c所示，從電極中提取相位對比數據。對負極樣品進行相位分割，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）使用分水嶺方法進行AM分割；（c）應用于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極樣品的AM。

圖2、大體積電極的微觀結構表征

回旋孔隙網絡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在連通性。作者利用μCT/Micro-CT發(fā)現：因為電極是由眾多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尺度對應物有關，復合電極包含多個相以促進不同的傳輸過程；通過求解穩(wěn)態(tài)濃度場來評估孔隙和CBD區(qū)域的彎曲度以及產生的有效擴散系數，類似的方法可以應用于CBD中的勢場以產生有效的電導率。

【本文小結】

作者利用μCT/Micro-CT對多個負極相的微觀結構和算法研究進行了建立，并重點研究了Li+負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極相的能力。將這種實驗表征與數值研究相結合，進一步揭示了加工對微觀結構形態(tài)，負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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