4D技术如何让锂电池充放电过程微观可视化

水墨黯月
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锂离子电池是一种高容量长寿命环保电池, 具有诸多优点,广泛应用于储能、电动汽车、便携式电子产品等领域。随着社会的发展,各应用领域,特别是电动汽车的发展,对锂离子电池的比能量、寿命、安全性和价格提出了更高的要求。因此,我们必须更深层次地认识电池中高度复杂的电化学传输机制。而正负极极片的微观结构与电池的电化学性能密切相关,许多科学家致力于研究电极材料以及充放电机理。如果我们能够在充放电过程中可视化微观结构的演变,那么,就能更好地理解电池机理,为电池设计优化,甚至开发下一代电池提供有利依据。

计算机辅助的X射线断层扫描(XCT)成像技术是一种高分辨率、无损伤,非破坏性的成像技术,可以定性和定量分析材料的结构和性能。XCT已被证明可以多尺度上可视化电池各组分的微结构演变,并作为一种有效的工具,可用于诊断电池失效机理。XCT也被用来研究锂离子电池电极材料的微结构特性。此外,连续的三维图像就可以形成4D(3D+时间)分析,包括可能的原位检测和在线检测(例如电化学测试中XCT成像)。

瑞典隆德大学和英国伦敦大学学院的科学家们使用4D计算机辅助的X射线断层扫描(XCT)成像技术可视化硅基电极的第一次锂化过程 。硅基电极在锂化过程中会出现剧烈的体积变化,甚至超过300%。这将导致电池各组件明显地机械变形,甚至破坏失效。作者期望可视化锂化过程,认识体积变化的机理。

实验方法

电池组装

如图1所示,硅电极对金属锂组装成Swagelok型半电池,电池薄壳是X射线可穿透的PFA塑料。微米Si粉:导电石墨:PVDF=80:10:10(重量比)。以硼硅酸盐玻璃纤维为隔膜。

4D技术如何让锂电池充放电过程微观可视化

图1 Li-Si Swagelok型电池示意图

Swagelok型电池:一种螺纹管接头组装的实验室测试专用锂电池模具

电化学和XCT测试

组装的电池理论容量约为7.45mAh,使用恒电位仪对电池恒流放电。XCT测试使用Xradia Versa Micro XCT-520 断层成像仪。电池以25μA电流恒流放电一定时间,然后每一次放电结束后XCT成像,按这种流程依次放电10次。第一步,放电持续10小时,电极锂化了3.36%。后续的步骤每次放电持续20小时,每次电极锂化6.72 %。图2显示了对硅电极部分锂化的10步,以及11次XCT测试时刻。

4D技术如何让锂电池充放电过程微观可视化

图2 Si电极恒流锂化过程的部分放电步骤。电流:25mA,持续20h(第一次10h),每一步放电之后,进行XCT成像。

X射线源和检测器被分别放置在样品前面和后面距离样品中心15毫米处,使用4倍目镜,获取图像的像素尺寸为1.7μm。扫描器光源管电压45 kV,每次投影曝光时间30s,每次扫描获取2001张照片,重建后的体积图像为16位灰度,2000 x 2000像素。

DVC的分析

这项研究使用数字体积相关算法(Digital Volume Correlation,简称DVC)来量化电池极片和隔膜在锂化过程中的机械变形。DVC技术是通过分析具有相关关系的两组三维图像,获得物体变形过程中位移场和应变场的计算方法,其基本原理如图3所示。这种方法能测量出三维图像变形前后,任意位置的采样点的位移和应变。

4D技术如何让锂电池充放电过程微观可视化

图3 数字体积相关算法

(a)样本节点位移矢量的示意图,(b)规则的初始网格中由8个邻节点限制的立方亚体积,(c)形变网格中的变形亚体积。

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