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      鋰電池廠家解讀:鋰離子電池極片的3D微觀結構

      來源:鋰電池廠家?作者:admin??發布時間:2020-01-10 15:40:49??閱讀數:

      鋰電池廠家解讀:鋰離子電池極片的3D微觀結構。鋰離子電池極片的微觀結構對電池性能有重大影響。目前,采用計算機仿真技術可以模擬鋰離子電池微觀結構與電池性能的關系。但是,由于缺乏電池極片微結構的真實實驗數據,通常采用隨機模型生成電池極片微結構的簡化圖像,這與實際結構往往存在差別。

      鋰離子電池極片結構

      蘇黎世聯邦理工學院的Martin Ebner等人啟動了一個電池微觀結構項目,他們采用X射線斷層掃描技術采集電池微觀結構圖像,免費提供下載鋰離子電池多孔電極和隔膜的三維微觀結構和電化學數據。

      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),粘結劑連結活物質顆粒,涂層與集流體,導電劑導通電子;

      ③孔隙,填滿電解液,這是極片中鋰離子傳輸的通道;

      ④集流體。

      在電化學過程,極片涂層主要包括以下幾個過程:

      ①電子傳輸;

      ②離子傳輸;

      ③在電解液/電極顆粒界面發生電荷交換,即電化學反應;

      ④固相內鋰離子的擴散。極片微觀結構中,顆粒粒徑大小和分布會影響鋰離子擴散路徑和電化學反應比表面大小,孔徑大小和分布會影響電解液的傳輸過程,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最終影響電池性能。

      利用電池微觀結構開源數據,科研工作者可以研究電池極片微結構特征,電池微觀機理,以及微結構控制技術。比如利用這些電池極片三維數據生成有限元模型,將這些真實微觀結構模型作為輸入,仿真模擬電池的性能,建立微觀結構與電化學性能之間的關系。我們實際電池設計和制造者也可以采用這些數據直觀認識和理解電池極片的微觀結構特征,實現對極片微觀結構的優化和更精確地控制。以下對開源數據簡單說明,并示例三維立體圖像重構過程。

      電極微觀結構開源數據主要是NMC111正極極片,包括活物質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,每種配方又分別經歷0T、300T、600T、2000T壓力條件輥壓,共計16種極片。由于X射線CT掃描分辨率限制,極片微觀結構只能區分活物質顆粒和孔隙兩相,碳膠相被看成了孔隙。電化學數據是將極片組裝成紐扣半電池進行的測試。

      采用ImageJ軟件(免費開源軟件,下載地址:http://imagej.net/Downloads )對極片圖片序列進行三維立體圖像重構示例,步驟如下:

      ①從開源數據庫下載Binary Data數據,如圖1所示;

      開源數據列表
      圖1 開源數據列表

      ②打開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;

      導入二值化的圖像序列

      導入二值化的圖像序列
      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。

      構建三維模型

      構建三維模型
      圖3 構建三維模型

      ③對圖3視圖可以進行操作,設置背景顏色,旋轉視角,縮小放大等,鋰離子電池極片3D微觀結構如圖4所示。

      鋰離子電池極片3D微觀結構
      圖4 鋰離子電池極片3D微觀結構

      獲取以上3D微觀結構之后,我們可以統計活物質顆粒粒徑分布,孔隙率,孔道迂曲度等參數,如圖5所示。

      鋰離子電池粒徑分布和孔隙率分布
      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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