鋰電池廠(chǎng)家解讀：鋰離子電池極片的3D微觀(guān)結構
鋰電池廠(chǎng)家解讀：鋰離子電池極片的3D微觀(guān)結構。鋰離子電池極片的微觀(guān)結構對電池性能有重大影響。目前，采用計算機仿真技術(shù)可以模擬鋰離子電池微觀(guān)結構與電池性能的關(guān)系。但是，由于缺乏電池極片微結構的真實(shí)實(shí)驗數據，通常采用隨機模型生成電池極片微結構的簡(jiǎn)化圖像，這與實(shí)際結構往往存在差別。
蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院的Martin Ebner等人啟動(dòng)了一個(gè)電池微觀(guān)結構項目，他們采用X射線(xiàn)斷層掃描技術(shù)采集電池微觀(guān)結構圖像，免費提供下載鋰離子電池多孔電極和隔膜的三維微觀(guān)結構和電化學(xué)數據。
鋰離子電池極片可看成一種復合材料，主要由四部分組成：
①活性物質(zhì)顆粒，嵌入或脫出鋰離子，正極顆粒提供鋰源，負極顆粒接受鋰離子；
②導電劑和黏結劑相互混合的組成相(碳膠相)，粘結劑連結活物質(zhì)顆粒，涂層與集流體，導電劑導通電子；
③孔隙，填滿(mǎn)電解液，這是極片中鋰離子傳輸的通道；
④集流體。
在電化學(xué)過(guò)程，極片涂層主要包括以下幾個(gè)過(guò)程：
①電子傳輸；
②離子傳輸；
③在電解液/電極顆粒界面發(fā)生電荷交換，即電化學(xué)反應；
④固相內鋰離子的擴散。極片微觀(guān)結構中，顆粒粒徑大小和分布會(huì )影響鋰離子擴散路徑和電化學(xué)反應比表面大小，孔徑大小和分布會(huì )影響電解液的傳輸過(guò)程，孔隙迂曲度決定鋰離子傳輸距離，等等。這些微結構特征都會(huì )最終影響電池性能。
利用電池微觀(guān)結構開(kāi)源數據，科研工作者可以研究電池極片微結構特征，電池微觀(guān)機理，以及微結構控制技術(shù)。比如利用這些電池極片三維數據生成有限元模型，將這些真實(shí)微觀(guān)結構模型作為輸入，仿真模擬電池的性能，建立微觀(guān)結構與電化學(xué)性能之間的關(guān)系。我們實(shí)際電池設計和制造者也可以采用這些數據直觀(guān)認識和理解電池極片的微觀(guān)結構特征，實(shí)現對極片微觀(guān)結構的優(yōu)化和更精確地控制。以下對開(kāi)源數據簡(jiǎn)單說(shuō)明，并示例三維立體圖像重構過(guò)程。
電極微觀(guān)結構開(kāi)源數據主要是NMC111正極極片，包括活物質(zhì)NMC111：粘結劑PVDF：導電劑Super C65比例分別為 90：5：5、 92：4：4、 94：3：3、 96：2：2 四種配方的極片，每種配方又分別經(jīng)歷0T、300T、600T、2000T壓力條件輥壓，共計16種極片。由于X射線(xiàn)CT掃描分辨率限制，極片微觀(guān)結構只能區分活物質(zhì)顆粒和孔隙兩相，碳膠相被看成了孔隙。電化學(xué)數據是將極片組裝成紐扣半電池進(jìn)行的測試。
采用ImageJ軟件（免費開(kāi)源軟件，下載地址：http://imagej.net/Downloads ）對極片圖片序列進(jìn)行三維立體圖像重構示例，步驟如下：
①從開(kāi)源數據庫下載Binary Data數據，如圖1所示；
圖1 開(kāi)源數據列表
②打開(kāi)ImageJ軟件，首先使用 File> > Import> > ImageSequence命令以virtual stack形式導入二值化的圖像序列（binarized文件夾），如圖2所示；
圖2 導入二值化的圖像序列
然后構建三維模型，具體步驟如下: Plugins>> 3D> > 3D Viewer，操作步驟如圖3所示。
圖3 構建三維模型
③對圖3視圖可以進(jìn)行操作，設置背景顏色，旋轉視角，縮小放大等，鋰離子電池極片3D微觀(guān)結構如圖4所示。
圖4 鋰離子電池極片3D微觀(guān)結構
獲取以上3D微觀(guān)結構之后，我們可以統計活物質(zhì)顆粒粒徑分布，孔隙率，孔道迂曲度等參數，如圖5所示。
圖5 粒徑分布和孔隙率分布
參考文獻：[1] Ebner M, Geldmacher F, Marone F, et al. X-RayTomography of Porous, Transition Metal Oxide Based Lithium Ion Battery Electrodes[J].ADVANCED ENERGY MATERIALS. 2013,3(7): 845-850.
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