鋰離子電池極片的微觀結(jié)構(gòu)對(duì)電池性能有重大影響。目前，采用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)可以模擬鋰離子電池微觀結(jié)構(gòu)與電池性能的關(guān)系。但是，由于缺乏電池極片微結(jié)構(gòu)的真實(shí)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，通常采用隨機(jī)模型生成電池極片微結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)化圖像，這與實(shí)際結(jié)構(gòu)往往存在差別。

蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院的Martin Ebner等人啟動(dòng)了一個(gè)電池微觀結(jié)構(gòu)項(xiàng)目，他們采用X射線斷層掃描技術(shù)采集電池微觀結(jié)構(gòu)圖像，免費(fèi)提供下載鋰離子電池多孔電極和隔膜的三維微觀結(jié)構(gòu)和電化學(xué)數(shù)據(jù)。下載相關(guān)數(shù)據(jù)。 

鋰離子電池極片可看成一種復(fù)合材料，主要由四部分組成：(1)活性物質(zhì)顆粒，嵌入或脫出鋰離子，正極顆粒提供鋰源，負(fù)極顆粒接受鋰離子；(2)導(dǎo)電劑和黏結(jié)劑相互混合的組成相(碳膠相)，粘結(jié)劑連結(jié)活物質(zhì)顆粒，涂層與集流體，導(dǎo)電劑導(dǎo)通電子；(3)孔隙，填滿(mǎn)電解液，這是極片中鋰離子傳輸?shù)耐ǖ?；?）集流體。 

在電化學(xué)過(guò)程，極片涂層主要包括以下幾個(gè)過(guò)程：（1）電子傳輸；（2）離子傳輸；（3）在電解液/電極顆粒界面發(fā)生電荷交換，即電化學(xué)反應(yīng)；（4）固相內(nèi)鋰離子的擴(kuò)散。極片微觀結(jié)構(gòu)中，顆粒粒徑大小和分布會(huì)影響鋰離子擴(kuò)散路徑和電化學(xué)反應(yīng)比表面大小，孔徑大小和分布會(huì)影響電解液的傳輸過(guò)程，孔隙迂曲度決定鋰離子傳輸距離，等等。這些微結(jié)構(gòu)特征都會(huì)最終影響電池性能。 

利用電池微觀結(jié)構(gòu)開(kāi)源數(shù)據(jù)，科研工作者可以研究電池極片微結(jié)構(gòu)特征，電池微觀機(jī)理，以及微結(jié)構(gòu)控制技術(shù)。比如利用這些電池極片三維數(shù)據(jù)生成有限元模型，將這些真實(shí)微觀結(jié)構(gòu)模型作為輸入，仿真模擬電池的性能，建立微觀結(jié)構(gòu)與電化學(xué)性能之間的關(guān)系。我們實(shí)際電池設(shè)計(jì)和制造者也可以采用這些數(shù)據(jù)直觀認(rèn)識(shí)和理解電池極片的微觀結(jié)構(gòu)特征，實(shí)現(xiàn)對(duì)極片微觀結(jié)構(gòu)的優(yōu)化和更精確地控制。以下對(duì)開(kāi)源數(shù)據(jù)簡(jiǎn)單說(shuō)明，并示例三維立體圖像重構(gòu)過(guò)程。 

電極微觀結(jié)構(gòu)開(kāi)源數(shù)據(jù)主要是NMC111正極極片，包括活物質(zhì)NMC111：粘結(jié)劑PVDF：導(dǎo)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(jīng)歷0T、300T、600T、2000T壓力條件輥壓，共計(jì)16種極片。由于X射線CT掃描分辨率限制，極片微觀結(jié)構(gòu)只能區(qū)分活物質(zhì)顆粒和孔隙兩相，碳膠相被看成了孔隙。電化學(xué)數(shù)據(jù)是將極片組裝成紐扣半電池進(jìn)行的測(cè)試。 

采用ImageJ軟件（免費(fèi)開(kāi)源軟件，下載地址：http://imagej.net/Downloads ）對(duì)極片圖片序列進(jìn)行三維立體圖像重構(gòu)示例，步驟如下：

（1）從開(kāi)源數(shù)據(jù)庫(kù)下載Binary Data數(shù)據(jù)，如圖1所示；

圖1 開(kāi)源數(shù)據(jù)列表 

（2）打開(kāi)ImageJ軟件，首先使用 File> > Import> > ImageSequence命令以virtual stack形式導(dǎo)入二值化的圖像序列（binarized文件夾），如圖2所示；

圖2 導(dǎo)入二值化的圖像序列 

（2）然后構(gòu)建三維模型，具體步驟如下: Plugins>> 3D> > 3D Viewer，操作步驟如圖3所示。

圖3 構(gòu)建三維模型 

（3）對(duì)圖3視圖可以進(jìn)行操作，設(shè)置背景顏色，旋轉(zhuǎn)視角，縮小放大等，鋰離子電池極片3D微觀結(jié)構(gòu)如圖4所示。 

圖4 鋰離子電池極片3D微觀結(jié)構(gòu) 

獲取以上3D微觀結(jié)構(gòu)之后，我們可以統(tǒng)計(jì)活物質(zhì)顆粒粒徑分布，孔隙率等參數(shù)。圖5是16種極片在厚度方向上活物質(zhì)顆粒直徑和孔隙率的分布，從圖中可見(jiàn)，所有的極片中，小顆粒傾向分布在集流體一側(cè)，這是極片在干燥過(guò)程中活物質(zhì)再分配造成的。經(jīng)歷較大壓力輥壓之后，極片表面也會(huì)出現(xiàn)小顆粒分布集中的現(xiàn)象，這是輥壓破碎了極片表面的顆粒。涂層孔隙率在厚度方向上分布均勻，沒(méi)有出現(xiàn)梯度分布情況。另外，隨著輥壓壓力增加和導(dǎo)電劑和粘結(jié)劑含量降低，電極的孔隙率不斷降低。并且，低導(dǎo)電劑和粘結(jié)劑含量、低輥壓壓力的電極孔隙率不均勻性更明顯，這可能是漿液制備過(guò)程中不均勻分散和電極輥壓過(guò)程中顆粒重排的結(jié)果。輥壓壓力和導(dǎo)電劑含量對(duì)孔隙率的具體影響如圖6所示，兩個(gè)因素作用下具體影響過(guò)程比較復(fù)雜。

圖5  16種極片在厚度方向上活物質(zhì)顆粒直徑和孔隙率的分布

圖6  輥壓壓力和導(dǎo)電劑含量對(duì)孔隙率的具體影響

將這些極片制作成對(duì)鋰片的紐扣半電池，分別在不同倍率條件下進(jìn)行充放電，截至電壓為2.3V-4.3V，沒(méi)有輥壓的極片截至電壓為2.4V-4.4V。充放電模式分別為：（1）CC：恒流充電，然后恒流放電；（2）CCCV：恒流充電到截至電壓后恒壓1小時(shí)，然后恒流放電到截至電壓后恒壓1小時(shí)。圖7是16種極片恒流放電（CC，藍(lán)色）和恒流恒壓放電（CCCV，紫色）的倍率特性曲線，高導(dǎo)電劑含量的極片倍率性能更好，具有更高的CC容量。而對(duì)于導(dǎo)電劑含量更低的極片，更大壓力壓實(shí)之后極片穩(wěn)定性更好。

圖7  16種極片恒流放電（CC，藍(lán)色）和恒流恒壓放電（CCCV，紫色）的倍率特性曲線

參考文獻(xiàn)【2】就是利用這些開(kāi)源數(shù)據(jù)研究極片微觀結(jié)構(gòu)演變，作者提出了描述電極微觀結(jié)構(gòu)及其演化的組構(gòu)張量法（fabric tensorapproach），這是基于粒子間連通性的定向測(cè)量技術(shù)，涉及到電極的結(jié)構(gòu)和傳輸特性。他們展示了組構(gòu)張量捕捉活物質(zhì)顆粒之間的接觸狀態(tài)分布的演變過(guò)程，微觀結(jié)構(gòu)示例如圖8所示。

圖8   極片3D微觀結(jié)構(gòu)開(kāi)源數(shù)據(jù)研究示例 

參考文獻(xiàn)：

[1] Ebner M, Geldmacher F, Marone F, et al. X-Ray Tomography ofPorous, Transition Metal Oxide Based Lithium Ion Battery Electrodes[J]. ADVANCEDENERGY MATERIALS. 2013, 3(7): 845-850.

[2] Stershic A J, Simunovic S, Nanda J. Modelingthe evolution of lithium-ion particle contact distributions using a fabrictensor approach[J]. Journal of Power Sources. 2015, 297(30): 540-550.

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