4D技術如何實現鋰離子電池充放電過程的微觀可視化

鋰離子電池是一種高容量、長壽命的環保電池，具有許多優點，廣泛應用于儲能、電動汽車、便攜式電子產品等領域。隨著社會的發展，各個應用領域，尤其是電動汽車的發展，對鋰離子電池的比能、壽命、安全性和價格都提出了更高的要求。因此，我們必須對電池中高度復雜的電化學輸運機理有更深刻的認識。陽極和陰極的微觀結構與電池的電化學性能密切相關。假如能直觀地看到充放電過程中微觀結構的演變，就能更好地了解電池的機理，為電池的優化設計乃至下一代電池的發展供應良好的依據。

計算機輔助X射線斷層攝影(XCT)成像是一種高分辨率，非破壞性，非破壞性成像技術，允許定性和定量分析材料的結構和性能。XCT已被證明能夠在多個尺度上可視化電池組件的微觀結構演變，是診斷電池故障機制的有效工具。XCT還被用來研究鋰離子電池電極材料的微觀結構。此外，持續的三維圖像可以用來形成4D(3D+time)分析，包括可能的現場和在線檢測(如電化學測試中的XCT成像)。

瑞典隆德大學(lunduniversity)和英國倫敦大學學院(universitycollegeLondon)的科學家們利用4D計算機輔助x射線斷層成像(XCT)技術，將第一個硅基電極鋰的形成過程可視化。硅基電極在鋰加工過程中會發生劇烈的體積變化，最高可達300%。這將導致電池組件發生顯著的機械變形，甚至失效。作者希望能夠直觀地了解鋰的形成過程和體積變化的機理。

實驗方法

電池組裝

如圖1所示，將一對硅電極組裝成Swagelok型半電池，電池薄殼為x射線可穿透的PFA塑料。微米硅粉:導電石墨:PVDF=80:10:10(重量比)。隔膜是硼硅酸鹽玻璃纖維。

圖2硅電極恒流鋰的部分放電過程。電流:25mA，持續20h(前10h)，放電后每步進行XCT成像。

x射線源和探測器分別放置在離樣品中心15mm遠的樣品前后。使用4倍目鏡獲得的圖像像素大小為1.7nm。掃描儀光源管電壓為45kv，每次投影曝光時間為30s。每次掃描得到2001年的圖像。重建后的體像為16位灰度，2000×2000像素。

DVC的分析

本研究使用數字體積相關(DVC)算法來量化鋰離子演化過程中電池電極和隔膜的機械變形。DVC技術是通過分析兩組具有相關性的三維圖像，得到物體變形過程中位移場和應變場的計算方法。其基本原理如圖3所示。該方法可以測量三維圖像變形前后任意位置采樣點的位移和應變。

圖3數字音量相關算法

(a)樣本節點位移矢量示意圖;(b)常規初始網格中8個相鄰節點限制的立方體子空間;(c)變形網格中的變形子體。

結果與討論

獲得了不同鋰相下硅基電極的XCT圖像，重建了11幅三維圖像。圖4為六電極三維體積的縱斷面(圖4a-f)，圖5為三電極三維體積的橫斷面。將圖像灰度閾值設置為13,750-18,250(16位灰度值)，表示圖像中金屬鋰的低飽和度。高密度材料，如硅，玻璃纖維隔膜，高灰值，色彩鮮艷。圖像中高于灰度值的小白點可能是雜質。

從圖4-5可以看出，硅基電極鋰工藝伴隨著明顯的體積膨脹。當鋰離子濃度為64.5%時，電極體積增大3倍。膜片的機械穩定性有利于電池的安全性和電性能。巨大的體積變化引起了地震