《PNAS》软包电池中多组分协同演化的原位可视化

科技 07-20 来源：高分子能源

锂离子电池（LIB）是一种广泛采用的储能技术。随着对提高倍率能力、可循环性、能量密度、安全性和成本效率的要求越来越高，深入了解电池运行过程中的详细结构演变和电池降解机制至关重要。在这里，我们提出了一种基于实验室的高分辨率和高通量 X 射线微计算机层析成像方法，该方法能够原位可视化行业相关的锂离子 (Li-ion) 软包电池，具有出色的检测保真度，分辨率和可靠性。该技术能够在实验室系统中以 0.5 μm 的空间分辨率对软包电池进行成像，并允许识别阴极和阳极电极内的亚微米特征。我们还展示了成像软包电池中锂镀层的直接可视化，这是与电池快速充电和低温循环相关的重要现象。我们的发展为深入了解工业级软包电池的多尺度结构、化学机械降解和电化学行为之间的相关性提供了一条途径。

图文简介

Micro-CL 设置用于对软包电池进行定量原位成像。( A ) 开发的用于锂离子软包电池原位可视化的微型 CL 设置的示意图。( B和C ) 展示了 NMC 阴极和石墨阳极的代表性切片。插图显示了 NMC 颗粒 ( B ) 中的裂缝和石墨颗粒 ( C ) 中的空隙。B和C中最右边的图像显示了两个电极的分割图像。( D ) NMC正极和石墨负极的强度直方图如图所示。( E) 定量分析这两个电极中颗粒的当量直径。au，任意单位；轮回，轮回。

NMC阴极的原位微CL成像。( A ) 成像复合 NMC 阴极子体积的 3D 渲染。充电时会产生颗粒内（B和C）和颗粒间（E和F）异质性。B和C中粒子上的线轮廓显示在D中，E和F中粒子上的线轮廓显示在G中。( H ) 阴极粒子分为两组：大（亮色）和小（灰色）。（我和J) 大尺寸组 ( I ) 和小尺寸组 ( J ) 上的电极变形。( K ) 这两组粒子在面内和面外方向上的相对位移。

石墨阳极的颗粒级变形分析。( A – C ) 充电时产生的微观缺陷：空隙 ( A )、( B ) 裂纹和 ( C ) 石墨颗粒的脱粘。( D - F ) 三个分段石墨颗粒的充电引起的 3D 变形。( G ) 三个粒子总变形幅度的归一化概率分布。( H )平面内和平面外方向变形幅度的归一化概率分布。

工业相关软包电池中多个降解过程的原位可视化。( A – C ) NMC 阴极发生化学机械降解，包括颗粒开裂 ( A )、颗粒内异质性 ( B ) 和颗粒间异质性 ( C )。( D – F ) 石墨负极发生降解，包括颗粒变形 ( D )、TM 沉淀 ( E ) 和镀锂 ( F )。( G ) 在与行业相关的大型锂离子软包电池中观察到的多种降解机制示意图。TM，过渡金属。

在这项工作中，我们对与行业相关的锂离子软包电池进行了非侵入性原位评估。具体来说，我们开发了一种高分辨率、高通量、基于实验室的 micro-CL 系统，该系统能够以 0.5 μm 的 3D 体素分辨率对软包电池进行成像，并识别不同电池组件中的亚微米特征。该方法提供了一个机会来可视化软包电池中的各种化学机械降解过程，包括电池正极和负极的变形、正极粒子密度的不断变化、过渡金属溶解和沉淀以及锂电镀。功能正常的工业相关电池单元中复杂的多组件相互作用对于锂离子电池的研究和开发至关重要。