如何实现锂离子电池充放电过程的微观可视化？

4D技术如何实现锂离子电池充放电过程的微观可视化

锂离子电池是一种高容量、长寿命的环保电池，具有许多优点，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，各个应用领域，尤其是电动汽车的发展，对锂离子电池的比能、寿命、安全性和价格都提出了更高的要求。因此，我们必须对电池中高度复杂的电化学输运机理有更深刻的认识。阳极和阴极的微观结构与电池的电化学性能密切相关。假如能直观地看到充放电过程中微观结构的演变，就能更好地了解电池的机理，为电池的优化设计乃至下一代电池的发展供应良好的依据。

计算机辅助X射线断层摄影(XCT)成像是一种高分辨率，非破坏性，非破坏性成像技术，允许定性和定量分析材料的结构和性能。XCT已被证明能够在多个尺度上可视化电池组件的微观结构演变，是诊断电池故障机制的有效工具。XCT还被用来研究锂离子电池电极材料的微观结构。此外，持续的三维图像可以用来形成4D(3D+time)分析，包括可能的现场和在线检测(如电化学测试中的XCT成像)。

瑞典隆德大学(lunduniversity)和英国伦敦大学学院(universitycollegeLondon)的科学家们利用4D计算机辅助x射线断层成像(XCT)技术，将第一个硅基电极锂的形成过程可视化。硅基电极在锂加工过程中会发生剧烈的体积变化，最高可达300%。这将导致电池组件发生显著的机械变形，甚至失效。作者希望能够直观地了解锂的形成过程和体积变化的机理。

实验方法

电池组装

如图1所示，将一对硅电极组装成Swagelok型半电池，电池薄壳为x射线可穿透的PFA塑料。微米硅粉:导电石墨:PVDF=80:10:10(重量比)。隔膜是硼硅酸盐玻璃纤维。

图2硅电极恒流锂的部分放电过程。电流:25mA，持续20h(前10h)，放电后每步进行XCT成像。

x射线源和探测器分别放置在离样品中心15mm远的样品前后。使用4倍目镜获得的图像像素大小为1.7nm。扫描仪光源管电压为45kv，每次投影曝光时间为30s。每次扫描得到2001年的图像。重建后的体像为16位灰度，2000×2000像素。

DVC的分析

本研究使用数字体积相关(DVC)算法来量化锂离子演化过程中电池电极和隔膜的机械变形。DVC技术是通过分析两组具有相关性的三维图像，得到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。该方法可以测量三维图像变形前后任意位置采样点的位移和应变。

图3数字音量相关算法

(a)样本节点位移矢量示意图;(b)常规初始网格中8个相邻节点限制的立方体子空间;(c)变形网格中的变形子体。

结果与讨论

获得了不同锂相下硅基电极的XCT图像，重建了11幅三维图像。图4为六电极三维体积的纵断面(图4a-f)，图5为三电极三维体积的横断面。将图像灰度阈值设置为13,750-18,250(16位灰度值)，表示图像中金属锂的低饱和度。高密度材料，如硅，玻璃纤维隔膜，高灰值，色彩鲜艳。图像中高于灰度值的小白点可能是杂质。

从图4-5可以看出，硅基电极锂工艺伴随着明显的体积膨胀。当锂离子浓度为64.5%时，电极体积增大3倍。膜片的机械稳定性有利于电池的安全性和电性能。巨大的体积变化引起了地震