纳米CT在锂离子电池中的应用

锂离子电池因其优异的比能量以及使用寿命已逐步渗透进人们的日常生活。然而因资源和环境的新需求，人们不得不开发出容量更高，性能更稳定且绿色无污染的新型电极材料。不论是新材料的开发以及检测，研究人员都希望借助直观、准确的表征手段。近几年，随着制造工艺的提升，研究者设计的纳米CT（Computed Tomography）技术日渐成熟，并在生命科学、材料科学以及能源方面都有了很大突破。锂离子电池中正负极材料的孔隙结构以及成分的分布对其电化学性能具有重要影响。本论文从锂离子电极材料中挑选出两种已商业化应用的正负极材料，进行纳米CT测试，以期使用这一新型技术对与材料电化学性能相关的内部三维结构进行定性以及定量分析。 本论文使用德国Zeiss公司的UltraXRM-L200型纳米CT对四种不同压实密度的磷酸铁锂/碳（LiFePO4/C）电极片进行图像数据采集。同时为与纳米CT结果进行对比，使用Zeiss的场发射扫描电子显微镜（FE-SEM）对LiFePO4/C的表面形貌进行表征。然后利用内嵌软件（XMController,XMReconstructor）对三维图像去噪、重构。最后使用商业软件ImageJ, Avizo对重构后的图像进行阈值划分，定性展示了孔隙的空间三维形貌。之后采用体积收缩的方法绘制出孔隙率-体积关系曲线图。测试结果发现压实密度越大，孔隙分布更为均匀。同时在计算孔隙率，统计孔隙大小时发现，较大压实密度的样品对应的孔隙率越低，内部小孔比率越高。 对硅/碳（Si/C）复合材料进行了类似的SEM表征。对Si/C复合材料进行特殊处理后，进行纳米CT测试。在对Si/C复合材料进行测试时，使用相衬模式进行图像数据采集。数据采集完后同样进行去噪、重构处理，并与SEM图片进行对比。然后使用软件Avizo先手动分割出颗粒，而后进行阈值分割分离出Si。实验发现Si在颗粒内部呈现核桃状分布，且外层含量较内部多。最终通过统计得出Si的体积分数约为29.98%。 本论文利用纳米CT技术实现了样品内部三维结构的重构，并对与磷酸铁锂/碳材料的内部孔隙以及Si/C复合材料中的硅含量进行了定量分析。接下来可以通过结合相关的电化学性能测试，得出LiFePO4/C正极材料中最适宜的孔隙率以及Si/C复合材料中最佳的Si含量。此后在实际量产中，可使用该测试手段对样品进行抽样分析。此外，利用纳米CT技术可以进一步研究孔隙的连通率，成分分布，并结合电化学性能测试，可优化正负极材料的制备工艺，从而提高锂离子电池的性能。