先进成像技术在电池研究中的应用

提升电池能量密度是锂电池研发的主要趋势LCO/graphiteLCO/Coke2材料精细化设计与组合创新满足不同场景对电池的需求钛酸锂负极钛酸锂负极3 活性材料结构变化活性材料结构变化寿命衰减倍率性能差失效现象循环周期工作条件活性颗粒裂纹破碎过渡金属溶出锂枝晶生长集流体腐蚀/溶解活性材料相变寿命衰减倍率性能差失效现象循环周期工作条件活性颗粒裂纹破碎过渡金属溶出锂枝晶生长集流体腐蚀/溶解活性材料相变物质体积TEM颗粒粉化内部孔隙AES枝晶生长枝晶形貌表界面衬度体积膨胀负极材料SEI积累物质体积TEM颗粒粉化内部孔隙AES枝晶生长枝晶形貌表界面衬度体积膨胀负极材料SEI积累AFM裂纹体积/分布AFM裂纹体积/分布容量衰减TM吸收谱颗粒裂纹ToF-SIMS表面CEI结构相变表面结构/物相衍射衬度正极材料容量衰减TM吸收谱颗粒裂纹ToF-SIMS表面CEI结构相变表面结构/物相衍射衬度正极材料Raman屈曲/接触Raman屈曲/接触CC缺陷CC破碎连通度TXM-XANESCC脱附CC腐蚀表面粗糙度脱附孔隙集流体CC缺陷CC破碎连通度TXM-XANESCC脱附CC腐蚀表面粗糙度脱附孔隙集流体隔膜变形隔膜穿刺异常亮度厚度差异/曲率SEM隔膜变形隔膜穿刺异常亮度厚度差异/曲率SEM纳米CT涂层剥落接触劣化涂层位置隔膜侧孔隙微米CT隔膜纳米CT涂层剥落接触劣化涂层位置隔膜侧孔隙微米CT隔膜厚度膨胀异质损伤颗粒损伤分布厚度分布工业CT电极极化电解液干涸孔隙/迂曲度气液衬度差异超声成像厚度膨胀异质损伤颗粒损伤分布厚度分布工业CT电极极化电解液干涸孔隙/迂曲度气液衬度差异超声成像机械损伤热失控红外热成像熔化卷曲宏观形貌短路/断路容量损失跨层/层内综合因素中子CT5机械损伤热失控红外热成像熔化卷曲宏观形貌短路/断路容量损失跨层/层内综合因素中子CT5样品尺寸 16~65μm10-8–10-5~1nm无损/原位无损/原位无损/原位无损/原位有损/原位有损/原位有损/原位有损/原位有损/非原位有损/原位无损/原位无损/原位无损/原位极片-电芯极片-电芯极片-电芯极片-电芯颗粒-极片颗粒-极片颗粒-极片颗粒-极片颗粒-极片颗粒-极片颗粒-极片颗粒-极片气液分辨能力表界面形貌易加工/高分辨成分/结构近表面力/电特征原子级分辨衍射结构成像元素成分分布 6纳米X射线断层成像微米X射线断层成像纳米X射线断层成像微米X射线断层成像飞行时间二次离子质谱双束扫描电子显微镜扫描电子显微镜原子力显微镜原子力显微镜透射电子显微镜透射电子显微镜俄歇电子能谱俄歇电子能谱 多尺度先进成像表征实验技术针对实际电池问题的成像表征方法需要考虑样品特征和分辨率、视场、7晶体结构应变/晶格畸变裂纹/价态差异孔隙结构/界面接触结构损伤极片褶皱/脱附膨胀/产气/浸润8 多尺度电池材料与电芯失效行为卷绕褶皱极片开裂9布拉格相干衍射成像LCO机器学习（自编码神经网络）LCO“单晶”颗粒内的“晶畴”Y.Hong(洪彦帅)etal.Chem20206,2759;J.Li(李济舟)etal.EnSM2022,45,647.10J.Zhang(张杰男)etal.Nat.Energy2019,4,594J.Zhang(张锦)etal.Nat.Commun.2020,11,6342颗粒尺度：固态电解质匹配富锂正极热安全性能Y.Lu(杨陆峰)etal.Adv.Funct.Mater.2022,2200096;H.Pan(潘弘毅)etal.Adv.EnergyMater.2022,220398912颗粒尺度：表面包覆不均匀性导致材料机械P包覆Li1.5Al0.5Ti1.5(PO4)3P包覆✘LiCoTiO4钴酸锂LiCoTiO4钴酸锂Ti、P包覆---Ⅱl---Ⅱl0--TiO2✘Ti包覆Ⅰ--TiO2✘Ti包覆ⅠⅡⅢY.Li(李裕)etal.EnSM2024,67,103颗粒尺度：表面包覆不均匀性导致材料机械无包覆80非均匀包覆均匀包覆80560040200.0020.0080.0140.02004020无包覆孔隙率：2.6%无包覆孔隙率：2.6%00.000.020.040.060.080.10孔隙率(%)0.8%0.6%0.4%0.2%0.0%0.6%0.4%0.2%0.0%非均匀包覆非均匀包覆均匀包覆0.000.250.500.751.00电化学模拟中的电极结构获取高分辨高保真三维电极结构模型理想颗粒模型完美球体真实电极结构不规则颗粒与孔隙 FIB图像数据 颗粒相分割三维正极颗粒模型三维正极颗粒模型二次电子(SE)像：•对几何敏感•对元素不敏感背散射电子(BSE)像：•对元素敏感•深度方向分辨率差基于灰度阈值的方法难以实现准确的颗粒分割Y.Sun(孙毓健)etal.underreview极片尺度：风格迁移模态融合分割方法GroundTruthU-NetSwin-Fuse 极片尺度：X射线多模态成像研究金属锂枝晶问题原位电池吸收相位尖端孔隙率更高通过X射线相位和散射成像，表征了微米级的金属锂枝晶结G.Zan,etal.ACSMaterialsLett.2021,3,1786.17ll浆料分散不匀l涂布厚薄不匀l电极分层l电极颗粒杂质l电芯含水超标l极耳区载料l电极扭曲l电极堆叠不齐l隔膜褶皱l浸润不充分l极片切片毛刺l分切金属杂质l极耳焊接毛刺l极耳焊连接弱l封装挤压扭曲G.Qian,etal.CellRep.Phys.Sci.2021,2,100554.18●负极厚度变大、孔隙率显著增加20负极容量损失、机械失效影响正极过充导致热稳定性下降H.Pan(潘弘毅),L.Gan(甘露雨)etal.unpublisheddata21AlAl/NCM532/NCM622/Si-based金属锂负极金属锂负极700600500Energydensity(Wh/kg)Energydensity(Wh/kg)201所第三方WebofScience(2015：2C历史产业数据（1992-2015）~700Wh/kg~1600Wh/LWebofScience(2015：2CNat.Commun.SNCM|Li量产水平Nat.Commun.SNCM|Li量产水平300300Nat.EnergyNCMNat.EnergyNCM523|Cu2000Nat.Nat.NanoNMC811|LiC201520102000200520252020201520102000200520252020Year22Year2240,048201Q.Li(李泉)，Y.Yang(杨旸)etal.Chin.Phys.Lett.40,048201 电芯尺度：高比能电池机械失效Y.Yang(杨旸),Q.Li(李泉)etal.unpublisheddata23 电解液浸润过程利用缺陷识别定量统计电池内部特征区域面积数据由万龙提供24 X.Jin(靳欣),Q.Wang*(王其钰),etal.EnergyStorageScienceandTechnology2024,13(1):48-5690%SOH80%SOH70%SOH混合固液电池热安全改善与电解液转化成固态物质相关25 超声数据三维切片展示孔径/孔深标准模板>>信号三维切片展示超声三维数据更清晰地反映声波建立气固、气液界面超声信号的标准模型，为分析三维电池数据建立基础基于深度学习的图像分析方法：超分辨技术原始超分辨对比原始超分辨对比提升CT采集效率，提升图像质量，填补10-100nm区间分辨27基于深度学习的图像分析方法：超分辨技术低分辨图像传统上采样AI超分辨28 建立多层级多尺度的分析方法2929 先进成像技术有机结合解耦电池失效宏观原子传质动力学多尺度相变X射线与同步辐射中子与超声成像沉积行为微观 多模态多尺度电池失效行为成像表征电池材料失效构效关系电子显微镜界面演化宏观原子传质动力学多尺度相变X射线与同步辐射中子与超声成像沉积行为微观 多模态多尺度电池失效行为成像表征电池材料失效构效关系电子显微镜界面演化PPT来源于香港中文大学李济舟联系人：潘弘毅博士（hypan@）核心检测能力原位固化状态温度循环（-20~80℃)物理所怀柔园区“一装置两平台”，物理所怀柔园区“一装置两平台”，用于开展物质科学研究清洁能源材料测试诊断与研发平台/前沿研究l投资4.3亿l总建筑面积：30000平米l地上面积：26000平米l地下面积：4000平米 X射线粉末衍射仪核磁共振仪拉曼光谱仪红外光谱仪高效液相色谱离子色谱仪液相色谱质谱联用元素分析仪微分电化学质谱n涵盖30余种材料成分、结构、形貌、表界面测X射线粉末衍射仪核磁共振仪拉曼光谱仪红外光谱仪高效液相色谱离子色谱仪液相色谱质谱联用元素分析仪微分电化学质谱X线断层扫描场发射扫描电子显微镜/能谱飞行时间二次离子质谱仪X射线光电子能谱仪原子力显微镜同步热分析仪示差扫描量热仪测试、评价与诊断分析X线断层扫描场发射扫描电子显微镜/能谱飞行时间二次离子质谱仪X射线光电子能谱仪原子力显微镜同步热分析仪示差扫描量热仪场发射透射电子显微镜比表面仪电导率仪俄歇电子能谱荧光光谱仪电感耦合等离子体发射光谱/质谱仪绝热加速量热仪等温量热仪n满足国标GB31241-2014电池系列安全性场