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納米級工業CT在電池產業全新應用
發布者:admin  點擊:2717 發布時間:2022-1-6

  儲能解決方案的開發,特別是對電池的開發多年來一直是最活躍的工業領域之一。隨著電力流動性、互聯對象和通信手段的指數級增長,應用的領域越來越多,面臨的風險也隨之增加。

當前的儲能環境

當談到電化學電池時,有一個基本原則:電池在充電時將電能轉化為化學能,反之,在放電時恢復電能。這一原則在鉛電池中已經使用了150年。鋰離子電池設計于30多年前,是當今各個領域中最廣泛的解決方案。它的高效率(比同等重量的鉛電池的功率高3倍)和高循環使用次數使其成為最有效的解決方案。然而,現有產品仍存在許多問題需要改進,例如存儲容量、制造成本、安全性、生態成本和預期壽命。本應用說明中詳述的重點是最后兩點。

鋰離子電池簡介

鋰離子電池由許多單體電池組成,每個電池由兩個可以交換離子的電極組成,能夠產生幾伏電壓。

鋰離子在放電過程中從陽極遷移到陰極,這是一種可逆現象,可以讓電池充電,如下圖所示。

 

鋰離子電池的電極由含活性粒子的多孔網絡材料、導電劑和粘合劑組成。這三種成分的三維分布對電池的充電容量起著至關重要的作用。因此,提高電池性能的關鍵是能在非常小的范圍內對電極化學成分的進行分析。

傳統的材料分析方法通常需要破壞樣品,并且不允許在充電和放電循環期間監測電池的變化。此外,這些技術只能提供二維尺度的信息,有很大的局限性。


  

工業CTX射線顯微層析成像技術)為觀測循環過程中電極降解機制提供了技術解決方案:

 

采集數據時使用原位”測量,觀測充電、放電循環時電池的變化。

獲得的結論數據是在亞微米精度上對電極進行的三維分析。

 

這項工作由里昂國家航空航天局MATEIS實驗室進行

法國里昂的MATEIS實驗室是公認的材料分析研究中心。該團隊由Eric Maire領導,是使用X射線顯微層析技術對材料進行表征的先驅實驗室之一。2013年開始,實驗室使用RX SolutionsEasy Tom 160工業CT,能夠獲得接近同步加速器斷層掃描效果的分辨率,如格勒諾布爾的ESRF、瑞士的SLS或巴黎的Soleil,同時具備遠大于這些大型儀器的廣泛的應用范圍。

MATEIS實驗室,維克多·范佩恩與加拿大瓦倫內斯國家科學研究院(INRS)聯合開展的博士研究在兩個不同領域取得了進展。

 

電極制造工藝

到目前為止,鋰離子電池的電極使用的是一種基于有機粘合劑(PVDF)的配方,這種粘合劑只能溶于一種已知具有高度致癌和毒性(NMP)的溶劑中。人們已經做了大量工作,用污染較少的溶液替換粘合劑。在維克多·范佩恩的研究中,使用的粘合劑是一種水溶性化合物:羧甲基纖維素或CMC。結果表明,使用活性粒子)(如與CMC結合的硅)獲得的性能優于現有電池,而且污染更少。然而,在多孔碳質襯底上沉積時出現了一個困難:后者是疏水性的,傳統工藝產生的硅團聚體對電池的效率影響較大。通過工業CT的分析,可以確定******的制造工藝。

 

充、放電循環過程中的電極劣化

由于電池的工作特性與電極中多孔網絡的結構變化有關,因此可以通過在整個充電和放電階段跟蹤膨脹、收縮、脫氣、裂紋形成和脫粘現象來觀察電極的劣化情況。

 

測試材料為鋰離子電池

所分析的電極由80%的活性硅顆粒、12%的導電劑和8%的粘合劑組成。通過在受控條件下研磨粉末20小時獲得活性硅顆粒,然后將其與粘合劑和導電添加劑混合到糊狀溶液中。最終混合物中硅顆粒的平均直徑為0.8μm。該電極沉積在碳紙基板上,而不是金屬上,主要是為了避免在密度非常高的材料(如銅)的情況下在層析成像中出現金屬偽影。


電極由鋰金屬構成,這兩個電極由浸有電解液的纖維分離器隔開,電解液是溶解在有機溶液中的鋰鹽(LiPF6)。

 

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