先进成像技术在电池研究中的应用

潘弘毅，王碧童，孙毓健，焦思晨，李泉，禹习谦，李泓 中国科学院物理研究所2024. 8. 9 提升电池能量密度是锂电池研发的主要趋势 材料精细化设计与组合创新满足不同场景对电池的需求 4由材料、设计、使用工况等引起的复杂的电池失效 中科院物理所基于成像技术的实验条件 7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、成像能力的匹配 多尺度电池材料与电芯失效行为 多尺度电池材料与电芯失效行为 电池工艺问题 让固态电池能在高温状态下工作，显著提升电池安全性固态电解质技术极片叠片工艺电芯卷绕工艺电池封装工艺极片辊压工艺极片涂覆工艺粘结剂的选择材料结构稳定性前驱体制备工艺负极体积膨胀负极包覆结构设计正极包覆掺杂工艺生产流程灰分控制材料筛分工艺…. 机器学习（自编码神经网络） 颗粒尺度：正极元素组成对电池性能的影响 通过吸收谱、荧光成像辅助设计与验证正极材料改性策略 颗粒尺度：固态电解质匹配富锂正极热安全性能研究 SPE与氧化物正极表面反应生成稳定且结构匹配的尖晶石，防止正极产氧 颗粒尺度：表面包覆不均匀性导致材料机械失效 极片尺度：电极颗粒堆叠三维结构成像与分析 传统分割方法的局限性 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 极片尺度：X射线多模态成像研究金属锂枝晶问题 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构和孔隙微结构特征G. Zan, et al.ACS Materials Lett.2021,3, 1786. 17 电芯尺度：金属杂质引起反应非均质导致电芯失效 浆料分散不匀涂布厚薄不匀电极分层电极颗粒杂质电芯含水超标极耳区载料电极扭曲电极堆叠不齐隔膜褶皱浸润不充分极片切片毛刺分切金属杂质极耳焊接毛刺极耳焊连接弱封装挤压扭曲 电芯尺度：金属杂质引起反应非均质导致电芯失效 电芯尺度：正负极串扰导致电化学和热安全失效 ●负极厚度变大、孔隙率显著增加●负极粉化严重●负极孔隙不均匀性增加 电芯尺度：电极颗粒非均匀反应热稳定性劣化 负极容量损失、机械失效影响正极过充导致热稳定性下降 21H. Pan(潘弘毅), L. Gan(甘露雨) et al.unpublished data 电芯尺度：超高比能电芯中体积膨胀导致机械失效 超声数据量化分析 利用缺陷识别定量统计电池内部特征区域面积 电解液浸润过程 电芯尺度：固液混合电池热安全研究 混合固液电池体系：NCM811正极，SiO/C负极，混合固液电解质（LATP+商用电解液） 电池热失控时间随老化延后 X. Jin(靳欣),Q. Wang*(王其钰),etal.Energy StorageScience and Technology2024,13(1): 48-56 混合固液电池热安全改善与电解液转化成固态物质相关 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 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 提升CT采集效率，提升图像质量，填补10-100nm区间分辨率/分钟级时间分辨率 基于深度学习的图像分析方法：超分辨技术 先进表征+大数据与人工智能，精准化+定量化，可解析+可预测 先进成像技术有机结合解耦电池失效 结合多尺度成像表征方法获得多层级电池特征数据构建全面电池失效数据库发展先进的数据分析方法解耦复杂的电池失效机理 提出材料改性策略提出工艺改进路线 纳米/微米X射线计算机断层成像 联系人：潘弘毅博士（hypan@iphy.ac.cn） 核心检测能力 联系人：王碧童博士（wangbitong@iphy.ac.cn） 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/前沿研究中心 清洁能源材料与器件分析测试中心 涵盖30余种材料成分、结构、形貌、表界面测试表征方法； 涵盖单体电池到系统的测试、评价与诊断分析能力; 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 满 足国 标GB 31241-2014电池系列安全性测试能力； 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 拥有北京唯一的针对轻元素的高分辨俄歇成像、连接真空转移的TOF-SIMS等分析设备； 敬请批评指正!