蔡司新型亚微米级三维X射线成像系统解锁锂离子电池内部的奥秘!

国际金属加工网 2019年06月17日

新能源和再生能源市场飞速发展的今天,锂离子电池由于其工作电压高、质量轻、能量密度大等优点受到各行业的青睐。随着技术的发展,其应用领域正在从笔记本、手机等小型消费电子走向电动汽车航空航天、能源等大型机械

蔡司X射线显微镜在锂电池行业的应用

锂离子电池部件分为正负极材料、电解液、隔膜和包装;目前研究难点在于提高寿命和能量密度,确保安全性能。

得益于蔡司独有两级放大成像系统,蔡司Xradia Versa显微镜(XRM)在无损观察内部缺陷、正负极材料厚度、孔隙率的同时可以实现高分辨成像,这有助于企业和研究机构加速研发、提高生产效率和产品安全性能。

封装电池内部缺陷检测

X射线显微镜可用于封装样品内部缺陷无损检测,识别电池内部的缺陷、毛刺、杂质等质量问题,为优化工艺调整提供判断依据。

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封装卷绕时,卷成的电芯应紧密、不松散。隔膜和正负极卷得越紧,内阻越小,但卷得过紧时会造成极片与隔膜湿润困难,致使放电容量变小;卷得太松会使极片在充放过程中发生过度膨胀,增大了内阻,降低了容量,缩短了循环寿命。上图中在正极转弯处出现裂纹,这会对锂离子的嵌入和脱嵌产生影响。

正极材料孔隙率分析

X射线显微镜可应用于电极材料孔隙率分析,协助提高电池能量密度。

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左图为正极材料(18650镍酸锂)三维形貌,中间黑色部分为铝集流极;右图曲线为沿着箭头方向孔隙率与位置的关系。通过计算可以得出正极材料的平均孔隙率。

老化效应分析(充放电性能分析)

X射线显微镜可用于锂离子电池的寿命与老化分析,无损检测电池充放电循环前后内部结构变化。

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对18650镍酸锂电池充放电100次,经过循环后电池容量下降约6% 。

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使用蔡司X射线显微镜分别对电池充放电前后进行高分辨无损3D成像,可以观察到在经过充放电循环后,在电极材料外侧边缘出现裂纹,而在未循环电池中并未发现这些裂纹。

新型亚微米级三维X射线成像系统

基于高分辨率和衬度成像技术,蔡司Xradia Versa显微镜(XRM)大大拓展了亚微米级无损成像的研究界限。传统断层扫描技术依赖于单一几何放大,而XRM则采用光学和几何两级放大,同时使用可以实现更快亚微米级分辨率的高通量成像,最高空间分辨率可达到500nm。大工作距离下高分辨成像技术(RaaD)能够对尺寸更大、密度更高的样品(包括零件和设备)进行无损高分辨率3D成像。此外,可选配的平板探测器技术(FPX)能够对大体积样品进行快速宏观扫描,为样品内部感兴趣区域的扫描提供了定位导航。

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