纳米CT在锂离子电池中的应用

发布时间：2019-11-10 21:04

【摘要】：锂离子电池因其优异的比能量以及使用寿命已逐步渗透进人们的日常生活。然而因资源和环境的新需求，人们不得不开发出容量更高，性能更稳定且绿色无污染的新型电极材料。不论是新材料的开发以及检测，研究人员都希望借助直观、准确的表征手段。近几年，随着制造工艺的提升，研究者设计的纳米CT（Computed Tomography）技术日渐成熟，并在生命科学、材料科学以及能源方面都有了很大突破。锂离子电池中正负极材料的孔隙结构以及成分的分布对其电化学性能具有重要影响。本论文从锂离子电极材料中挑选出两种已商业化应用的正负极材料，进行纳米CT测试，以期使用这一新型技术对与材料电化学性能相关的内部三维结构进行定性以及定量分析。本论文使用德国Zeiss公司的UltraXRM-L200型纳米CT对四种不同压实密度的磷酸铁锂/碳（LiFePO4/C）电极片进行图像数据采集。同时为与纳米CT结果进行对比，使用Zeiss的场发射扫描电子显微镜（FE-SEM）对LiFePO4/C的表面形貌进行表征。然后利用内嵌软件（XMController,XMReconstructor）对三维图像去噪、重构。最后使用商业软件ImageJ, Avizo对重构后的图像进行阈值划分，定性展示了孔隙的空间三维形貌。之后采用体积收缩的方法绘制出孔隙率-体积关系曲线图。测试结果发现压实密度越大，孔隙分布更为均匀。同时在计算孔隙率，统计孔隙大小时发现，较大压实密度的样品对应的孔隙率越低，内部小孔比率越高。对硅/碳（Si/C）复合材料进行了类似的SEM表征。对Si/C复合材料进行特殊处理后，进行纳米CT测试。在对Si/C复合材料进行测试时，使用相衬模式进行图像数据采集。数据采集完后同样进行去噪、重构处理，并与SEM图片进行对比。然后使用软件Avizo先手动分割出颗粒，而后进行阈值分割分离出Si。实验发现Si在颗粒内部呈现核桃状分布，且外层含量较内部多。最终通过统计得出Si的体积分数约为29.98%。本论文利用纳米CT技术实现了样品内部三维结构的重构，并对与磷酸铁锂/碳材料的内部孔隙以及Si/C复合材料中的硅含量进行了定量分析。接下来可以通过结合相关的电化学性能测试，得出LiFePO4/C正极材料中最适宜的孔隙率以及Si/C复合材料中最佳的Si含量。此后在实际量产中，可使用该测试手段对样品进行抽样分析。此外，利用纳米CT技术可以进一步研究孔隙的连通率，成分分布，并结合电化学性能测试，可优化正负极材料的制备工艺，从而提高锂离子电池的性能。
【图文】：

示意图,成像系统,示意图,波带片

过研究者们的不断摸索，X 射线显微术不断的得到完善。主流的成像方法 X 射线显微镜（Transmission X-ray microscope，TXM）和扫描透射 X 射canning transmission X-ray microscope，STXM）[6]。场透射 X 射线显微镜与可见光光学显微镜工作原理类似，其工作原理图如图中包含了一个聚光镜型波带片（Condenser zone plate）和一个物镜ective zone plate）。前者的作用主要是使得由光源发出的 X 射线会聚后照后者的作用则是将透过样品后的图像放大至 CCD 上。由此可知，波带片，，又可当作物镜来使用。此外，从 Condenser 波带片中穿过的 X 射线还因而除了提供高强度照明以为，还可以形成单色光。在光路中还可以看到个带小孔（Pinhole）的挡板，既是为了排除由波带片产生的衍射光，也为度。此外，新型的旋转椭球聚焦镜越来越多的使用在 TXM 上，这是由于的旋转椭球聚光镜不但能获取更高的聚焦效率，还可以避免产生其他衍射。

示意图,成像系统,示意图,波带片

太原理工大学硕士研究生学位论文进行扫描探测，与表面作用后产生二次电子被CCD接收，形成图像。同样，波带片将X射线会聚成高强度光束后，经过带挡板的小孔，以滤掉0级波带片产生的衍射光，照射在样品表面上，由此产生的反射光经探测器转换像。同扫描电镜不同的是，由于光路较为复杂，因而，在扫描过程中，X状态，而通过电机来驱动样品台进行移动，最终得到扫描图像[7]。
【学位授予单位】：太原理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TM912;TB383.1

【参考文献】