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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(shí)間:2022-12-02 09:52:24 瀏覽:2512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(shì)是儲(chǔ)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(duì)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(duì)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(huì)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(duì)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(duì)比功能,可以更好地理解加工形態(tài)關(guān)系,以提高跨多個(gè)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(cè)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(duì)比數(shù)據(jù)。對(duì)負(fù)極樣品進(jìn)行相位分割,得到三個(gè)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(gè)不同階段的3D圖:碳/粘合劑、孔隙和四個(gè)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(shí),電極尺度彎曲度與其RVE尺度對(duì)應(yīng)物有關(guān),復(fù)合電極包含多個(gè)相以促進(jìn)不同的傳輸過程;通過求解穩(wěn)態(tài)濃度場(chǎng)來評(píng)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(shì)場(chǎng)以產(chǎn)生有效的電導(dǎo)率。

【本文小結(jié)】

作者利用μCT/Micro-CT對(duì)多個(gè)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(duì)電極整體性能的影響。目前的工作證明了μCT/Micro-CT能夠同時(shí)測(cè)試多個(gè)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(duì)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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