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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：2879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、循環壽命長等優勢是儲能領域的研究熱點，但是LIB的電化學、傳輸、機械、形態和傳熱特性對電池及其組件材料有巨大的影響，導致LIB的優化極具挑戰性。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參數的影響。從實驗和計算兩方面研究發現電極規格、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，將試樣澆注在環氧樹脂中，只產生負極活性區。應用相位對比功能，可以更好地理解加工形態關系，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；通過求解穩態濃度場來評估孔隙和CBD區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，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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