工业CT断层扫描测量技术用于分析电池老化

 　　Figgemeier等采用纳米X射线工业CT断层扫描技术，对新电池和老化电池进行对比分析，确定循环后的结果变化。X射线CT成像表明，有机残留物和沉积物是老化电池负极孔隙率降低的主要原因。在正极一侧观察到颗粒粉碎和集流体腐蚀现象。以上现象，可能是导致电池容量降低和阻抗增加的原因。锂离子分布的量化分析表明，电池容量衰减归因于可循环锂的损失，这部分损失的锂富集在负极的表面。

　　图12、

　　SEM分别对应：左边，新负极;中间，老化负极;右边，含Al颗粒的老化负极。

　　上图显示负极结构随时间的变化。左图可见新石墨负极的形貌，颗粒边缘清晰可见。右图显示石墨边缘变得模糊，表面有覆盖层。此外，用EDX检测到老化负极表面存在Al颗粒。

　　图13、负极的CT图。

　　上图：左边为新负极，右边为标记的新负极;下图：左边为80% SOH负极，右边为标记的80% SOH负极。其中，颗粒标记为橙色，孔为红色，样品外的区域为蓝色，覆盖层为绿色，背景为蓝绿色。

　　上图显示，在电极的顶部和颗粒之间有绿色覆盖层，且绿色覆盖层在老化电极中更明显。在孔结构中可见不均匀的覆盖层。此外，存在不含任何沉积物的区域，以及被覆盖层完全封闭的区域。

　　图16、老化正极的X射线CT图像。

　　图中可见开裂的颗粒和氧化的Al集流体。

　　老化正极的集流体厚度变大。由于在负极侧已经检测到微米级的Al颗粒存在，考虑到微米级的颗粒较难通过隔膜，因此推测溶解的铝离子从正极上迁移到负极，在降低电化学电位下还原成金属Al。

　　总之，作者借助X射线工业CT方法考察了电极的结构变化，发现正极侧的颗粒裂纹不会影响电池容量。在负极，发现孔被覆盖层不均匀地填充。电极表面的覆盖层会增加循环过程的电极厚度。在电极多孔结构内部，还观察到电极沉积层。覆盖层的生长过程高度不均匀，导致孔阻塞，孔数量降低。此外，还发现正极集流体腐蚀的现象。基于以上现象，作者提出在电极设计方面需要注意以下几点：

(1)铝集流体应该实施保护措施，以免被腐蚀，可能的办法包括包覆碳或者添加特殊电解液添加剂;

(2)进一步增加正极材料颗粒的强度，因为裂纹会增加电池的体积，造成电流不均匀分布;

(3)负极侧强健、均匀的SEI层，有利于电池的长循环。