锂离子电池的介绍及4D技术让锂电池充放电过程微观可视化

　　锂离子电池是一种高容量长寿命环保电池， 具有诸多优点，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，各应用领域，特别是电动汽车的发展，对锂离子电池的比能量、寿命、安全性和价格提出了更高的要求。因此，我们必须更深层次地认识电池中高度复杂的电化学传输机制。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。如果我们能够在充放电过程中可视化微观结构的演变，那么，就能更好地理解电池机理，为电池设计优化，甚至开发下一代电池提供有利依据。

　　计算机辅助的X射线断层扫描（XCT）成像技术是一种高分辨率、无损伤，非破坏性的成像技术，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变，并作为一种有效的工具，可用于诊断电池失效机理。XCT也被用来研究锂离子电池电极材料的微结构特性。此外，连续的三维图像就可以形成4D（3D+时间）分析，包括可能的原位检测和在线检测（例如电化学测试中XCT成像）。

　　瑞典隆德大学和英国伦敦大学学院的科学家们使用4D计算机辅助的X射线断层扫描（XCT）成像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会出现剧烈的体积变化，甚至超过300%。这将导致电池各组件明显地机械变形，甚至破坏失效。作者期望可视化锂化过程，认识体积变化的机理。

　　实验方法

　　电池组装

　　如图1所示，硅电极对金属锂组装成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1 Li-Si Swagelok型电池示意图

　　Swagelok型电池：一种螺纹管接头组装的实验室测试专用锂电池模具

　　电化学和XCT测试

　　组装的电池理论容量约为7.45mAh，使用恒电位仪对电池恒流放电。XCT测试使用Xradia Versa Micro XCT-520 断层成像仪。电池以25μA电流恒流放电一定时间，然后每一次放电结束后XCT成像，按这种流程依次放电10次。第一步，放电持续10小时，电极锂化了3.36%。后续的步骤每次放电持续20小时，每次电极锂化6.72 %。图2显示了对硅电极部分锂化的10步，以及11次XCT测试时刻。

　　图2 Si电极恒流锂化过程的部分放电步骤。电流：25mA，持续20h（第一次10h），每一步放电之后，进行XCT成像。

　　X射线源和检测器被分别放置在样品前面和后面距离样品中心15毫米处，使用4倍目镜，获取图像的像素尺寸为1.7μm。扫描器光源管电压45 kV，每次投影曝光时间30s，每次扫描获取2001张照片，重建后的体积图像为16位灰度，2000 x 2000像素。