原位X射线三维成像助你了解电池容量衰减的根本性原因
近日，英国伦敦大学学院的Paul R. Shearing在Nature energy上发表评论，言及苏黎世联邦理工大学Vanessa 之前在Nature Communications发表的一篇文章《锂离子电池阳极石墨和硅/石墨的微观结构动力学及电化学活性定量研究》（Quantifying microstructural dynamics and electrochemical activity ofgraphite and silicon-graphite lithium ion battery anodes）。Shearing对 Wood等人采用原位线断层成像技术探索电极材料微观结构与电池性能关系的工作高度认可。他认为这革命性的改变了人们以往研究电极复杂变化过程方法的认知。通过这种方法可对电极材料微观结构的演变进行原位探索。
等人采用原位X线计算机断层成像技术（operando X-ray computed tomography；CT）构建了锂离子电池电极（石墨以及石墨/硅复合材料）工作状态下的时间延时三维图像。这解决了之前对比度不足导致成像不清晰的问题（主要是石墨颗粒以及孔隙间电解液吸收弱所造成的）。成像过程中，Wood等人之所以能够观测到石墨嵌锂后发生膨胀的过程是因为他们采用的是同步相位对比成像技术（synchrotron phase-contrast imaging techniques）。随后，（digital volume correlation techniques；DVC）的使用进一步帮助了观测者对电极材料微观结构与电性能之间关系进行鉴别。两种技术（CT和DVC）的相结合可以直接观测电极内部荷电状态的分布。
图1 石墨颗粒多次脱嵌锂后体积破坏的原理图
图1展示了石墨颗粒多次脱嵌锂后体积变化的原理图。白色箭头表示石墨颗粒内应力产生的方向。更有意义的是，还可通过上述方法研究复合材料的微观结构演变效应。以石墨/硅为例，正如研究者预知，嵌锂后硅材料的体积膨胀占据了主导，同时还挤压了石墨颗粒体积的膨胀。虽然预知这种球形的多晶硅具有体积膨胀同向性，但所观测的结果还是表明其体积膨胀仍具有强烈的方向依赖性。也就是说，球形硅的体积膨胀方向也是不尽相同的。对于这些复合材料而言，这一结果归因于电池外壳的宏观约束影响（在决定电极性能方面强调电池结构的重要性）。因此，某一环境条件下，材料实际的体积变化与研究者预想的是不同的。
采用断层成像和数字体相关技术（CT和DVC）正成为一种有力的研究电池材料的工具。尤其是，可用来追踪过度循环时电极材料微观结构的退化以了解电池容量衰减和失效的根本性原因。同时，这也为材料设计最优化提供了关键信息。通过收集分析反馈信息还可加速新型材料的研发。在将来，这些技术将成为材料表征工具的一部分，被科学家和工程师用于发展下一代更安全、更长寿命的电池。
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