鋰離子電池的介紹及4D技術(shù)讓鋰電池充放電過程微觀可視化

　　鋰離子電池是一種高容量長(zhǎng)壽命環(huán)保電池， 具有諸多優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于儲(chǔ)能、電動(dòng)汽車、便攜式電子產(chǎn)品等領(lǐng)域。隨著社會(huì)的發(fā)展，各應(yīng)用領(lǐng)域，特別是電動(dòng)汽車的發(fā)展，對(duì)鋰離子電池的比能量、壽命、安全性和價(jià)格提出了更高的要求。因此，我們必須更深層次地認(rèn)識(shí)電池中高度復(fù)雜的電化學(xué)傳輸機(jī)制。而正負(fù)極極片的微觀結(jié)構(gòu)與電池的電化學(xué)性能密切相關(guān)，許多科學(xué)家致力于研究電極材料以及充放電機(jī)理。如果我們能夠在充放電過程中可視化微觀結(jié)構(gòu)的演變，那么，就能更好地理解電池機(jī)理，為電池設(shè)計(jì)優(yōu)化，甚至開發(fā)下一代電池提供有利依據(jù)。

　　計(jì)算機(jī)輔助的X射線斷層掃描（XCT）成像技術(shù)是一種高分辨率、無損傷，非破壞性的成像技術(shù)，可以定性和定量分析材料的結(jié)構(gòu)和性能。XCT已被證明可以多尺度上可視化電池各組分的微結(jié)構(gòu)演變，并作為一種有效的工具，可用于診斷電池失效機(jī)理。XCT也被用來研究鋰離子電池電極材料的微結(jié)構(gòu)特性。此外，連續(xù)的三維圖像就可以形成4D（3D+時(shí)間）分析，包括可能的原位檢測(cè)和在線檢測(cè)（例如電化學(xué)測(cè)試中XCT成像）。

　　瑞典隆德大學(xué)和英國(guó)倫敦大學(xué)學(xué)院的科學(xué)家們使用4D計(jì)算機(jī)輔助的X射線斷層掃描（XCT）成像技術(shù)可視化硅基電極的第一次鋰化過程 。硅基電極在鋰化過程中會(huì)出現(xiàn)劇烈的體積變化，甚至超過300%。這將導(dǎo)致電池各組件明顯地機(jī)械變形，甚至破壞失效。作者期望可視化鋰化過程，認(rèn)識(shí)體積變化的機(jī)理。

　　實(shí)驗(yàn)方法

　　電池組裝

　　如圖1所示，硅電極對(duì)金屬鋰組裝成Swagelok型半電池，電池薄殼是X射線可穿透的PFA塑料。微米Si粉：導(dǎo)電石墨：PVDF=80:10:10（重量比）。以硼硅酸鹽玻璃纖維為隔膜。

　　圖1 Li-Si Swagelok型電池示意圖

　　Swagelok型電池：一種螺紋管接頭組裝的實(shí)驗(yàn)室測(cè)試專用鋰電池模具

　　電化學(xué)和XCT測(cè)試

　　組裝的電池理論容量約為7.45mAh，使用恒電位儀對(duì)電池恒流放電。XCT測(cè)試使用Xradia Versa Micro XCT-520 斷層成像儀。電池以25μA電流恒流放電一定時(shí)間，然后每一次放電結(jié)束后XCT成像，按這種流程依次放電10次。第一步，放電持續(xù)10小時(shí)，電極鋰化了3.36%。后續(xù)的步驟每次放電持續(xù)20小時(shí)，每次電極鋰化6.72 %。圖2顯示了對(duì)硅電極部分鋰化的10步，以及11次XCT測(cè)試時(shí)刻。

　　圖2 Si電極恒流鋰化過程的部分放電步驟。電流：25mA，持續(xù)20h（第一次10h），每一步放電之后，進(jìn)行XCT成像。

　　X射線源和檢測(cè)器被分別放置在樣品前面和后面距離樣品中心15毫米處，使用4倍目鏡，獲取圖像的像素尺寸為1.7μm。掃描器光源管電壓45 kV，每次投影曝光時(shí)間30s，每次掃描獲取2001張照片，重建后的體積圖像為16位灰度，2000 x 2000像素。