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纳米级工业CT在电池产业全新应用
发布者:admin  点击:483 发布时间:2022-1-6

  储能解决方案的开发,特别是对电池的开发多年来一直是最活跃的工业领域之一。随着电力流动性、互联对象和通信手段的指数级增长,应用的领域越来越多,面临的风险也随之增加。

当前的储能环境

当谈到电化学电池时,有一个基本原则:电池在充电时将电能转化为化学能,反之,在放电时恢复电能。这一原则在铅电池中已经使用了150年。锂离子电池设计于30多年前,是当今各个领域中最广泛的解决方案。它的高效率(比同等重量的铅电池的功率高3倍)和高循环使用次数使其成为最有效的解决方案。然而,现有产品仍存在许多问题需要改进,例如存储容量、制造成本、安全性、生态成本和预期寿命。本应用说明中详述的重点是最后两点

锂离子电池简介

锂离子电池由许多单体电池组成,每个电池由两个可以交换离子的电极组成,能够产生几伏电压。

锂离子在放电过程中从阳极迁移到阴极,这是一种可逆现象,可以让电池充电,如下图所示。

 

锂离子电池的电极由含活性粒子的多孔网络材料、导电剂和粘合剂组成。这三种成分的三维分布对电池的充电容量起着至关重要的作用。因此,提高电池性能的关键是能在非常小的范围内对电极化学成分的进行分析。

传统的材料分析方法通常需要破坏样品,并且不允许在充电和放电循环期间监测电池的变化。此外,这些技术只能提供二维尺度的信息,有很大的局限性。


  

工业CTX射线显微层析成像技术)为观测循环过程中电极降解机制提供了技术解决方案:

 

采集数据时使用原位”测量,观测充电、放电循环时电池的变化。

获得的结论数据是在亚微米精度上对电极进行的三维分析。

 

这项工作由里昂国家航空航天局MATEIS实验室进行

法国里昂的MATEIS实验室是公认的材料分析研究中心。该团队由Eric Maire领导,是使用X射线显微层析技术对材料进行表征的先驱实验室之一。2013年开始,实验室使用RX SolutionsEasy Tom 160工业CT,能够获得接近同步加速器断层扫描效果的分辨率,如格勒诺布尔的ESRF、瑞士的SLS或巴黎的Soleil,同时具备远大于这些大型仪器的广泛的应用范围。

MATEIS实验室,维克多·范佩恩与加拿大瓦伦内斯国家科学研究院(INRS)联合开展的博士研究在两个不同领域取得了进展。

 

电极制造工艺

到目前为止,锂离子电池的电极使用的是一种基于有机粘合剂(PVDF)的配方,这种粘合剂只能溶于一种已知具有高度致癌和毒性(NMP)的溶剂中。人们已经做了大量工作,用污染较少的溶液替换粘合剂。在维克多·范佩恩的研究中,使用的粘合剂是一种水溶性化合物:羧甲基纤维素或CMC。结果表明,使用活性粒子)(如与CMC结合的硅)获得的性能优于现有电池,而且污染更少。然而,在多孔碳质衬底上沉积时出现了一个困难:后者是疏水性的,传统工艺产生的硅团聚体对电池的效率影响较大。通过工业CT的分析,可以确定最佳的制造工艺。

 

充、放电循环过程中的电极劣化

由于电池的工作特性与电极中多孔网络的结构变化有关,因此可以通过在整个充电和放电阶段跟踪膨胀、收缩、脱气、裂纹形成和脱粘现象来观察电极的劣化情况。

 

测试材料为锂离子电池

所分析的电极由80%的活性硅颗粒、12%的导电剂和8%的粘合剂组成。通过在受控条件下研磨粉末20小时获得活性硅颗粒,然后将其与粘合剂和导电添加剂混合到糊状溶液中。最终混合物中硅颗粒的平均直径为0.8µm。该电极沉积在碳纸基板上,而不是金属上,主要是为了避免在密度非常高的材料(如铜)的情况下在层析成像中出现金属伪影。


电极由锂金属构成,这两个电极由浸有电解液的纤维分离器隔开,电解液是溶解在有机溶液中的锂盐(LiPF6)。

 

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