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【Micro-CT】在锂离子电池中的应用——量化分析Li+负极相

来源：时间：2022-12-02 09:52:24 浏览：2400次

【研究背景】

近年来，锂离子电池(LIB)因具有能量密度高、比功率大、循环寿命长等优势是储能领域的研究热点，但是LIB的电化学、传输、机械、形态和传热特性对电池及其组件材料有巨大的影响，导致LIB的优化极具挑战性。其中，Li+在负极的充放电能力受几何结构、传输特性和负极中组成相的形态参数的影响。从实验和计算两方面研究发现电极规格、粘合剂与导电添加剂的组成比、粒径等对电池性能有不同的影响。虽然聚焦离子束/扫描电子显微镜能够非常详细地分辨样品结构，但是会一定程度的破坏成像样品，而X射线断层扫描作为一种非破坏性成像技术，因具有研究LIB元件的价值而备受关注。

【研究成果】

近日，美国阿拉巴马大学亨茨维尔分校的Partha P. Mukherjee和 George J. Nelson（共同通讯作者）等人采用X射线显微断层成像技术（μCT/Micro-CT）对原始Li（Ni1/3Mn1/3Co1/3）O2（NMC）负极样品进行了不同处理方法成像。利用两种方法制备显微断层前的样品，将试样浇注在环氧树脂中，只产生负极活性区。应用相位对比功能，可以更好地理解加工形态关系，以提高跨多个尺度的整体电池性能。该工作以题为“Quantifying Transport, Geometrical, and Morphological Parameters in Li-Ion Cathode Phases Using X‑ray Microtomography.”发表在著名期刊ACS Appl. Mater. Interfaces上。

【图文解读】

X射线断层成像是一种利用数位几何处理后重建的三维放射线医学影像。该技术主要通过单一轴面的X射线旋转照射物体，由于不同的结构X射线的吸收不同，可以用电脑的三维技术重建出断层面影像。将断层影像层层堆叠，即可形成立体影像。

图1、四种不同处理方法的负极的重建、图像分割和渲染过程

μCT/Micro-CT测量完成后，使用TomoPy中的滤波反投影算法重建传输图像。利用分水岭分割技术，从样本区域中单独分割AM。如图1c所示，从电极中提取相位对比数据。对负极样品进行相位分割，得到三个不同的区域：AM、大孔和组合CBD。

图1（a）所有样品的断层重建方法；（b）使用分水岭方法进行AM分割；（c）应用于Kapton胶带样品的二次相位分割；（d）三个不同阶段的3D图：碳/粘合剂、孔隙和四个不同处理的负极样品的AM。

图2、大体积电极的微观结构表征

回旋孔隙网络的传输阻力不仅取决于孔隙体积，而且还取决于以曲折度为特征的内在连通性。作者利用μCT/Micro-CT发现：因为电极是由众多RVE组成，所以体积单元（RVE）尺度的曲折度与其在电极尺度下的值不同；同时，电极尺度弯曲度与其RVE尺度对应物有关，复合电极包含多个相以促进不同的传输过程；通过求解稳态浓度场来评估孔隙和CBD区域的弯曲度以及产生的有效扩散系数，类似的方法可以应用于CBD中的势场以产生有效的电导率。

【本文小结】

作者利用μCT/Micro-CT对多个负极相的微观结构和算法研究进行了建立，并重点研究了Li+负极的制备方法对电极整体性能的影响。目前的工作证明了μCT/Micro-CT能够同时测试多个负极相的能力。将这种实验表征与数值研究相结合，进一步揭示了加工对微观结构形态，负极传输行为和电池性能的影响。

题目：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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