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4D技术如何让锂电池充放电过程微观可视化

时间:2021-12-23 02:16 点击次数:
  本文摘要:锂离子电池是一种高容量长寿命环保电池,具备诸多优点,普遍应用于储能、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,尤其是电动汽车的发展,对锂离子电池的比能量、寿命、安全性和价格明确提出了更高的拒绝。因此,我们必需更加深层次地了解电池中高度简单的电化学传输机制。 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。

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锂离子电池是一种高容量长寿命环保电池,具备诸多优点,普遍应用于储能、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,尤其是电动汽车的发展,对锂离子电池的比能量、寿命、安全性和价格明确提出了更高的拒绝。因此,我们必需更加深层次地了解电池中高度简单的电化学传输机制。

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。如果我们需要在充放电过程中可视化微观结构的演进,那么,就能更佳地解读电池机理,为电池设计优化,甚至研发下一代电池获取不利依据。计算机辅助的X射线断层扫描(XCT)光学技术是一种高分辨率、无损伤,非破坏性的光学技术,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进,并作为一种有效地的工具,可用作临床电池过热机理。

XCT也被用来研究锂离子电池电极材料的微结构特性。此外,倒数的三维图像就可以构成4D(3D+时间)分析,还包括有可能的原位检测和在线检测(例如电化学测试中XCT光学)。瑞典隆德大学和英国伦敦大学学院的科学家们用于4D计算机辅助的X射线断层扫描(XCT)光学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不会经常出现轻微的体积变化,甚至多达300%。

这将造成电池各组件显著地机械变形,甚至毁坏过热。作者希望可视化锂化过程,了解体积变化的机理。

实验方法电池组装如图1右图,硅电极对金属锂装配成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。图1Li-SiSwagelok型电池示意图Swagelok型电池:一种螺纹管接头装配的实验室测试专用锂电池模具电化学和XCT测试装配的电池理论容量大约为7.45mAh,用于恒电位仪对电池恒放逐电。XCT测试用于XradiaVersaMicroXCT-520断层成像仪。电池以25μA电流恒放逐电一定时间,然后每一次静电完结后XCT光学,按这种流程依序静电10次。

第一步,静电持续10小时,电极锂简化了3.36%。先前的步骤每次静电持续20小时,每次电极锂化6.72%。图2表明了对硅电极部分锂化的10步,以及11次XCT测试时刻。

图2Si电极恒流锂化过程的部分静电步骤。电流:25mA,持续20h(第一次10h),每一步静电之后,展开XCT光学。X射线源和检测器被分别摆放在样品前面和后面距离样品中心15毫米处,用于4倍目镜,提供图像的像素尺寸为1.7μm。扫描器光源管电压45kV,每次投影曝光时间30s,每次扫瞄提供2001张照片,修复后的体积图像为16位灰度,2000x2000像素。

DVC的分析这项研究用于数字体积涉及算法(DigitalVolumeCorrelation,全称DVC)来分析电池极片和隔膜在锂化过程中的机械变形。DVC技术是通过分析具备涉及关系的两组三维图像,取得物体变形过程中偏移场和突发事件场的计算方法,其基本原理如图3右图。

这种方法能测量出有三维图像变形前后,给定方位的取样点的偏移和突发事件。图3数字体积涉及算法(a)样本节点偏移矢量的示意图,(b)规则的初始网格中由8个邻节点容许的立方亚体积,(c)应力网格中的变形亚体积。


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