工业CT检测技术在锂离子电池行业的应用（一）

工业CT检测技术在锂离子电池行业的应用

 　　锂离子电池，由于其具有高重量能量密度和体积能量密度，循环寿命长，无记忆效应等优点，越来越受到市场和消费者的青睐。随着锂离子电池的快速发展，众多和锂离子相关的表征手段也越来越被人们所熟悉。其中就包括许多原位表征技术，如原位X射线衍射(in situ XRD)、原位透射电子显微镜(in situ TEM)、原位拉曼光谱(in situ Raman)、原位扫描电子显微镜(in situ SEM)等。今天，小编简单和大家一起分享的原位表征手段是工业CT检测技术，英文名为Computed Tomography，即计算机断层扫描测量仪。

　　01 工业CT技术简介

　　提到CT技术，相信很多人第一时间会联想到医学影像学。的确，CT的发明与医学有很多关系。CT的发明，是医学影响学发展史上的一次革命。

　　1917年，奥地利数学家雷登(J. Radon)提出可通过从各方向的投影，并用数学方法计算出一幅二维或三维的重建图像的理论。后来，考迈克于1967年完成了CT图像重建相关的数学问题。亨斯菲尔德在英国EMI实验中心进行了相关的计算机和重建技术的研究，重建出图像。1971年诞生了第一台CT装置。

　　CT是用X射线束对一定厚度的层面进行扫描，由探测器接受透过该层面的X射线，转变为可见光后，由光电转换变为电信号，再经模拟/数字转换器转为数字，输入计算机处理。对于材料学领域，CT的成像原理是根据待测样品内部不同相和成分的密度以及原子系数的不同，对X射线的吸收能力有强有弱从而造成成像的明暗差别，进行不同组分的分析。CT机结构包括X射线发生部分(高压发生器、X线管、冷却系统、准直器和楔形滤过器/板)、X线检测部分(探测器，模数、数模转换器)、机械运动部分(扫描机架、滑环)、计算机部分(主机及阵列处理器)及图像显示和存储部分(监视器、存储器)、工作站等。

　　02 工业CT的应用领域

　　CT的应用领域广泛。如上所述，CT广泛应用于生命科学、医学领域。安检领域也随处可见CT的影子，随着世界范围内的各类恐怖袭击事件的不断发生， 爆炸物检测领域正在成为CT技术应用的重要方向。此外，CT也被越来越多地应用于工业领域，用于进行问题侦查、不合格分析、复杂结构的组装检测、高级物料研究等。近些年，工业CT也在新能源领域，如锂离子电池、燃料电池、固态电池方面，正逐渐开辟它的应用新天地。

　　03 工业CT技术在锂离子电池的应用

　　锂离子正负极材料及电极的微观结构显著影响电池的性能发挥。借助高分辨工业CT，我们能更深入理解材料或电池内部结构，探知界面区域的变化。

　　3.1 工业CT技术用于表征磷酸铁锂/碳正极材料孔隙

　　焦等人借助纳米CT技术，探究了磷酸铁锂/碳正极材料孔隙三维形貌，实现对材料内部的直观性观察。研究过程主要包括精细样品制备、数据采集和数据预处理等。通过软件ImageJ，Avizo处理，实现对孔隙含量的定量计算。借助三维渲染分布图，得知内部存在少量独立孔隙，此类孔隙对电池容量无贡献。

　　图1、纳米CT内部结构图。

　　图2。 截取的立方体阈值分割后孔隙分布图。

　　不同压实密度的磷酸铁锂电极片，其电化学性能也不相同。鉴于此，研究人员对四种不同压实密度对磷酸铁锂/碳电极片进行CT表征，研究其孔隙的变化规律。研究结果表明，较大压实密度下，电极内部孔隙分布更均匀。均匀的孔隙分布有利于电解液在材料内部的顺利传输，可以充分的提高活性物质的利用率。增大压实，孔隙率逐渐减小，较小孔径的孔隙数量占比增多。

　　图3、压实密度分别为a) 2.1、b) 2.2、c) 2.3和d)2.4 g/cm3时,磷酸铁锂/碳电极片孔隙的三维空间分布图。

　　3.2 工业CT技术研究硅碳核桃结构

　　焦等人采用纳米CT技术研究了硅碳核桃结构。使用阈值分割方法，抠选得到Si材料。使用Avizo内嵌的连续平滑算法，得到美观的三维渲染效果图。使用Extract Subvolume功能，得到内部Si的直观分布图(图4)。其中蓝色部分为材料Si。可见硅是颗粒中以散乱的状态分布在颗粒的心部以及外表面，且以外部包覆为主。通过Material Statistices进行统计计算，得到Si占单个颗粒的体积百分比为30%。

　　(a)为手工分割出的Si 与颗粒渲染图，(b)为平滑处理后的Si 与颗粒渲染图，(c)为从颗粒中截取的某一子体积的 Si 与颗粒渲染图，其中蓝色部分为材料Si。

　　3.3 CT技术研究含硅合金负极的软包电池容量衰减机理

　　Berckmans借助X射线CT技术，研究了含硅合金负极的软包电池容量快速衰减的原因，发现电极层之间出现明显的机械变形。推测主要是因为在电化学循环过程中，FEC分解产生了较多的CO2气体。FEC与电解液反应，生成LiF，有助于形成更稳定的SEI膜，能增加循环稳定性，但是同时会产生CO2气体。CO2气体会阻碍锂离子的传输，造成活性表面积损失，电池容量降低。产气量过大，使用FEC的负效应超过正效应。

　　随后作者试图采用外加压力的方式降低FEC的分解速率，发现放电容量增加19%。此外，测试结束后没有看到电池出现鼓胀现象，表明施加外压能降低FEC的消耗速率。因此，在设计含硅材料的电池时，外压是需要考虑的关键参数之一。昆山友硕代理销售蔡司等进口工业CT断层扫描仪欢迎来电咨询。（未完待续）