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Nat. Commun.：X射线纳米计算机断层扫描和建模辅助锂离子电池电极的3D微结构设计

兔兔
2020-04-30

电动汽车的行驶里程和快速充电能力在很大程度上依赖于锂离子电池(LiBs)的三维微结构，优化特定运行条件下的电极设计需要大量的基础研究。有鉴于此，英国伦敦大学学院Paul R. Shearing等人通过一种新型的X射线纳米计算机断层扫描(CT)双扫描叠加(DSS)技术建立了一个完整的微观结构解析三维模型，该技术可以捕获碳粘合剂区域(CBD)的特征。

 

本文要点：

1）借助新颖的双扫描叠加（DSS）技术，该技术对低衰减CBD和高衰减LiNi1/3Mn1/3Co1/3O2正极（NMC111）成像进行了结合，可重建完整的3D微观结构，对其进行计量表征和建模。通过三维微结构解析的高保真物理电池模型，阐明了微结构与电化学性能之间的相互作用，以强调非均质性对整体和局部电化学状态变量（如SoL、电荷转移、电解质浓度和电化学势）的影响。

2）阐明了LiBs的性能，特别是在高倍率条件下的性能是如何明显地受到微观结构非均质性的影响。活性颗粒的长条形和宽尺寸分布不仅影响了锂离子的输运，而且导致了粒子间的非均匀电流分布和沿穿透厚度方向的非均匀锂化。

3）基于这些见解，研究人员提出并比较了下一代电池电极潜在的分级微结构设计。最后，还进行了原位X射线计算机断层扫描，以研究在增量压延步骤中的微观结构的演变，孔隙率和曲折度的变化，以指导电极体系的制造过程。

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Xuekun Lu, et al. 3D microstructure design of lithium-ion battery electrodes assisted by X-ray nano-computed tomography and modelling. Nat. Commun. 2020, 11 (1), 2079

DOI: 10.1038/s41467-020-15811-x.

https://doi.org/10.1038/s41467-020-15811-x