納米CT如何鋰電池研發(fā)，打造更強(qiáng)、更安全的電池

鋰電池作為清潔能源發(fā)展的核心，正不斷向高能量密度、長(zhǎng)壽命和高安全性的方向邁進(jìn)。在這一過(guò)程中，材料的微觀結(jié)構(gòu)和性能之間的關(guān)聯(lián)成為研究的關(guān)鍵，而傳統(tǒng)檢測(cè)手段往往難以滿足亞微米尺度上的精準(zhǔn)解析需求。Nano-CT（納米計(jì)算機(jī)斷層掃描）技術(shù)以其高分辨率、無(wú)損成像和三維重建能力，為鋰電池研發(fā)和質(zhì)量控制提供了革命性的支持。

一、Nano CT 技術(shù)概述

Nano-CT 是一種基于 X 射線的無(wú)損成像技術(shù)，通過(guò)納米級(jí)的空間分辨率實(shí)現(xiàn)樣品內(nèi)部結(jié)構(gòu)的三維重建。與傳統(tǒng)的 Micro-CT 相比，Nano-CT 能以更高的精度捕捉微觀細(xì)節(jié)，尤其適用于分析鋰電池中的關(guān)鍵微觀結(jié)構(gòu)，如活性顆粒、電解質(zhì)界面、孔隙分布等。

• 分辨率：可達(dá)幾十納米，適合解析亞微米級(jí)的結(jié)構(gòu)特征。

• 無(wú)損性：無(wú)需破壞樣品，可用于后續(xù)的多方法聯(lián)合研究。

• 三維重建：實(shí)現(xiàn)全景式觀察，彌補(bǔ)傳統(tǒng)二維成像的局限性。

最新推出的 Neoscan N90 高分辨納米CT，是臺(tái)式納米 CT 系統(tǒng)，具有 40nm 超高分辨率，樣品尺寸大小為 100mm*400mm，可選配集成的 XRF 系統(tǒng)，進(jìn)行化學(xué)成分分析，鉀（K）以上可分辨。這種方法對(duì)于理解電池的內(nèi)部機(jī)理、評(píng)估電池的質(zhì)量以及提高電池的安全性具有重要價(jià)值。

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二、Nano CT 在鋰電行業(yè)中的應(yīng)用

電池材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)分析

鋰電池的性能在很大程度上取決于電極材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。Nano CT 技術(shù)能夠提供電極材料的高分辨率三維圖像，使研究人員能夠詳細(xì)觀察材料的孔隙率、顆粒大小、形狀和分布。這些參數(shù)對(duì)于理解電池的充放電行為、鋰離子的插入/脫出動(dòng)力學(xué)以及電極反應(yīng)的均勻性至關(guān)重要。

• 顆粒形態(tài)與分布：檢測(cè)正極材料（如LiNiMnCoO?）顆粒的形態(tài)、大小分布及顆粒間的接觸狀態(tài)，為優(yōu)化材料制備工藝提供依據(jù)。

• 孔隙分布：分析負(fù)極石墨的孔隙率及其均勻性，這與電解液的浸潤(rùn)性密切相關(guān)，從而影響充放電效率。

• 顆粒裂紋與破損：通過(guò)高分辨三維成像，捕捉循環(huán)過(guò)程中的顆粒裂紋及分布，為提升循環(huán)壽命提供設(shè)計(jì)思路。

圖1使用 Neoscan N90 高分辨納米CT 以 580nm 體素尺寸掃描鋰電池，內(nèi)部結(jié)構(gòu)得以清晰展示。

圖2 使用 Neoscan N70 通用型顯微CT 掃描 18650 型電池（長(zhǎng)度70毫米），內(nèi)部結(jié)構(gòu)得以清晰展示。

圖3 使用 nano ct 以 480nm 體素尺寸掃描石墨負(fù)極，（a) 來(lái)自斷層掃描序列的單個(gè)切片。 (b) 300個(gè)獨(dú)立的斷層掃描切片的渲染圖（尺寸為43 × 348 × 144微米）。圖片來(lái)源于文獻(xiàn)【1】

電解質(zhì)與界面研究

固態(tài)電池的界面特性直接影響離子傳輸效率和界面穩(wěn)定性，Nano CT 可以揭示這一界面的微觀結(jié)構(gòu)，包括固體電解質(zhì)界面（SEI）層的形成和演變。

• 固態(tài)電解質(zhì)界面觀察：檢測(cè)固態(tài)電解質(zhì)與電極的接觸質(zhì)量，分析界面缺陷（如孔洞、縫隙）的形成機(jī)制。

• 界面演變監(jiān)測(cè)：在多次循環(huán)后，通過(guò)無(wú)損成像對(duì)界面變化進(jìn)行追蹤，為優(yōu)化電池界面穩(wěn)定性提供依據(jù)。

• 析鋰現(xiàn)象研究：精準(zhǔn)捕捉鋰金屬負(fù)極表面析鋰的分布及形態(tài)，為防止枝晶生長(zhǎng)提供指導(dǎo)。

電池失效分析

隨著使用時(shí)間的增加，鋰電池會(huì)經(jīng)歷老化過(guò)程，導(dǎo)致性能下降。Nano CT 可以用于分析老化電池的內(nèi)部結(jié)構(gòu)變化，如電極材料的裂紋、顆粒的破碎和電極層的剝離。這些信息對(duì)于理解電池的失效機(jī)制和開(kāi)發(fā)延長(zhǎng)電池壽命的策略至關(guān)重要。

• 內(nèi)部短路檢測(cè)：在電池失效后，檢測(cè)內(nèi)部可能存在的短路位置及其形成機(jī)制。

• 熱失控機(jī)理研究：通過(guò)捕捉電池?zé)崾Э厍昂蟮膬?nèi)部變化，幫助開(kāi)發(fā)更高安全性的電池設(shè)計(jì)。

• 循環(huán)壽命影響因素：分析長(zhǎng)循環(huán)后正負(fù)極材料的變化，如電極脫落、顆粒破損或體積膨脹。

圖4 G1C 軟包電池在化成后但循環(huán)前的 X 射線計(jì)算機(jī)斷層掃描橫截面。放大視圖以高分辨率拍攝（體素大小為 8.5μm）。右圖表示橫截面（電池底部）的高度。圖片來(lái)源于文獻(xiàn)【2】

圖5 進(jìn)行壽命測(cè)試（未進(jìn)行壓縮）后，軟包電池頂部、中部和底部的 X 射線計(jì)算機(jī)斷層掃描橫截面。膨脹在圖所示的頂部和中間橫截面中清晰可見(jiàn)（參見(jiàn)袋和電極層堆棧之間的暗區(qū)）。圖片來(lái)源于文獻(xiàn)【2】 

電池制造工藝優(yōu)化

Nano CT 技術(shù)不僅在電池材料的研究中發(fā)揮作用，還可以用于電池設(shè)計(jì)和制造過(guò)程的優(yōu)化。通過(guò)對(duì)電池組件進(jìn)行高分辨率成像，研究人員可以評(píng)估電池設(shè)計(jì)的有效性，檢測(cè)制造過(guò)程中的缺陷，并提出改進(jìn)措施。

• 涂層均勻性檢測(cè)：評(píng)估正負(fù)極材料涂層的厚度及均勻性，確保生產(chǎn)一致性。

• 集流體與涂層結(jié)合狀態(tài)：分析集流體（如鋁箔）與電極材料之間的結(jié)合強(qiáng)度與缺陷分布。

• 缺陷檢測(cè)：識(shí)別制造過(guò)程中產(chǎn)生的微小孔洞、裂紋及顆粒分離等隱性缺陷，降低電池失效風(fēng)險(xiǎn)。

三、總結(jié) 

Nano-CT 技術(shù)為鋰電池行業(yè)提供了微觀視角，從材料研發(fā)到工藝優(yōu)化，再到失效分析，其應(yīng)用覆蓋了整個(gè)電池生命周期。隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步和與其他手段的協(xié)同發(fā)展，Nano-CT 將進(jìn)一步加速鋰電池領(lǐng)域的創(chuàng)新步伐，為推動(dòng)綠色能源革命注入新的動(dòng)力。

參考文獻(xiàn)

【1】Characterization of the 3-dimensional microstructure of a graphite negative electrode from a Li-ion battery, Electrochemistry Communications 12(2010)374-377 

【2】Electrical Characterization and Micro X-ray ComputedTomography Analysis of Next-Generation Silicon AlloyLithium-Ion Cells, World Electric Vehic Journal, 2018, 9, 43;