华中科大黄云辉/沈越课题组AEM：锂离子电池先进成像技术研究进展- 大数跨境

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华中科大黄云辉/沈越课题组AEM：锂离子电池先进成像技术研究进展

科学材料站

2020-06-17

导读：本文介绍和讨论了近年来电池研究中各种先进成像技术的一些重要进展。这些成像技术使亚微米级化学价态分布、固-电解质界面演变、锂枝晶生长和微量气体析出等的可视化监测成为可能，极大地促进了可充电电池的发展。

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第一作者：邓哲

通讯作者：沈越、黄云辉

单位：华中科技大学

导读

锂离子电池是目前商业上最成功的电化学器件，广泛应用于智能电子、电动汽车、电网储能等领域，但其在能量密度、循环寿命、倍率性能、安全性等方面还有待进一步提升。为此，有必要了解电池内部的健康状态以及电极结构的演变过程，以指导性能优化。许多先进的成像技术已经开发出来，可以直接监测电池内部的状态并获取一些关键信息。对于先进的成像技术，需要超高分辨率、充分信息功能、样品不破坏和在线监测。

针对上述问题，华中科技大学黄云辉、沈越课题组在国际知名期刊Advanced Energy Materials上发表题为“Recent Progress on Advanced Imaging Techniques for Lithium-Ion Batteries”的文章。本文第一作者是博士研究生邓哲

本文介绍和讨论了近年来电池研究中各种先进成像技术的一些重要进展。这些成像技术使亚微米级化学价态分布、固-电解质界面演变、锂枝晶生长和微量气体析出等的可视化监测成为可能，极大地促进了可充电电池的发展。特别值得注意的是，最近开发的一种新的超声波成像技术可用来静态或动态地监测气体的产生、电解液的润湿过程和电池的充电状态。最后，作者展望了锂离子电池和其它充电电池成像技术的发展前景。

导师专访

导师解析

目前的锂离子电池技术还未能完全满足各领域飞速增长的应用需求，其在能量密度、功率密度、循环寿命、安全性等方面的性能还有待进一步提高。工欲善其事必先利其器，近年来，许多先进的成像表征技术被开发并应用于锂离子电池的研究工作中，这些技术有效揭示了锂离子电池工作与老化的机制，加深了我们对锂离子电池体系的认知，有力推动了电池技术的进步。

这些表征技术有的拥有很强的分辨率，适合对特殊电池结构下材料的微观特性进行研究；有的具有很强的穿透力，能直接研究现有的商业化电池；有的具有无损特性，可以很轻易获取电池工作过程的原位信息。在这篇文章中，我们对近年来电池研究中所应用到的各种先进成像技术进行了梳理、总结和讨论。

黄云辉教授

背景简介

1. 锂离子电池的优势

锂离子电池（LIBs）具有能量密度高、循环寿命长等优点，在智能电子、电动汽车、大型储能等领域得到了广泛的应用。自1991年索尼首次商业化以来，研究人员从未停止过对其性能的改进。在过去的三十年里，LIBs的能量密度从大约90 Wh-kg-1增加到300 Wh-kg-1，增加了3倍多。同时，循环寿命、倍率能力和安全性也得到了显著的提高。2019年，Goodenough, Whittingham, 和 Yoshino因其在发明锂离子电池方面的巨大贡献获得了诺贝尔化学奖，这是可充电电池发展的一个激动人心的里程碑。随着人类社会的进步，电动汽车、大型储能系统乃至智能电子技术的飞速发展，对可充电电池的能量密度和安全性提出了更高的要求。因此，不断提高LIBs的性能一直是至关重要的。

2. 锂离子电池的内部表征结构

LIB是一个内部结构复杂的封闭系统。为了提高其性能，有必要使用多种表征技术来检查和理解充放电过程中的内部变化。LIBs的结构变化在不同的尺度具有各自的特点，包括原子尺度的晶体结构演变、纳米尺度的固体电解质界面（SEI）生长、微米尺度的电极颗粒粉碎和宏观尺度的电池膨胀。所有这些变化都可能影响电池的电化学性能，因此需要我们对这些不同尺度下的变化过程进行原位的表征研究。今年来，大量先进成像技术的出现和发展，使得我们对电池内部的反应过程有了更高的认知，这有助于研究人员分析电池的工作与失效机理，从而进一步开发出满足实际应用的高性能LIBs。

一般来说，成像技术的本质是基于探测介质与被测样品相互作用。介质作为信息载体，带来样品的结构信息。通过采集这些信息载体并分析其传输路径，可以得到具有空间分辨率的样本结构。LIB成像常用的信息载体包括X射线、紫外线（UV）和可见光、红外线（IR）、电子束、中子束、离子束和超声波。这些信息载体可以被视为电磁波、德布罗意波或机械波。信息载体的波长决定了成像技术的分辨率极限。由于衍射，空间分辨率的极限约为波长的一半。因此，基于电子束、离子束、X射线和中子束的成像技术理论上能够获得电极颗粒的纳米级结构信息，而基于紫外、可见光、红外和超声的成像技术只能表征微米级或毫米级的电池结构。

另一方面，信息载体的传输深度在很大程度上决定了成像技术是原位成像还是异地成像。由于LIB是一个封闭系统，信息载体需要穿过电池外封装材料，与需要表征的电化学活性材料发生相互作用，从而获取信息。基于中子、X射线和超声波的成像技术由于具有高的透过率，可以直接应用于实际的商业化电池。相反，在传统情况下，离子束、电子束和基于紫外/可见光/红外的成像技术通常是非原位的方法，需要拆卸电池，将待测物质暴露出来。近年来也有许多研究通过设计具有超薄或透明观察窗的特殊结构电池，从而利用这些传统的非原位方法来对电池进行原位表征。这些研究工作极大提升了我们对LIBs的认知。然而，我们也应该注意到，这些特殊结构的原位电池和真正的电池在电化学环境上仍然存在较大的差异。

信息载体的波长和穿透深度是成像设备设计的基本参数。例如，对于X射线，高能量有利于分辨率和透射深度。因此，为了获得高能量、高剂量的X射线，人们建造了大型同步辐射站。相比之下，对于超声波，高频提高了分辨率，但拖低了传输深度。有必要考虑分辨率和传输深度之间的权衡，因此通常采用中等频率。

核心内容

各种信息载体及其组合衍生了许多成像技术，这些技术在LIB研究中非常有用。载体对相应的结构信息敏感。因此，这些成像技术不仅可以显示样品的形貌，而且可以表征样品的元素组成、化学价态、化学键结构、应力、热导率等的分布。近年来，LIBs成像技术发展迅速。许多以前不清楚的结构演化过程现在变得越来越明显。因此本文综述了近年来该领域的一些重要进展。

第一作者专访

在电池研究中，成像表征技术是我们理解电池工作原理分析电池失效机制的有力工具。近年来，新的先进成像技术被大量应用于电池研究领域，例如冷冻电镜技术，三维核磁技术，电池超声技术等等。

这些成像技术给与我们了独特的视角来观测与研究锂电池工作中的种种内部变化过程，提升了我们对电池的理解，推动了电池的发展。为此，我们选择以表征信息的载体作为分类依据，对近年来在电池研究领域出现的成像技术进行归纳、总结与展望。

第一作者:邓哲

文章链接:

Recent Progress on Advanced Imaging Techniques for Lithium-Ion Batteries

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/aenm.202000806

作者简介:

黄云辉教授

黄云辉，华中科技大学教授、博导，校学术委员会副主任，同济大学兼职教授，国家杰出青年科学基金获得者，新世纪“百千万人才工程”国家级人选，国务院政府特殊津贴获得者。在北京大学获得学士、硕士和博士学位，先后任复旦大学副教授、日本东京工业大学JSPS研究员，2004-2007年在美国得州大学奥斯汀分校师从John B. Goodenough教授（2019年诺贝尔化学奖得主）从事锂离子电池和固态氧化物燃料电池研究。2008年回国工作，创建了动力与储能电池实验室，2010-2017年任材料科学与工程学院院长。主要研究领域包括锂离子动力与储能电池、下一代锂硫和锂-空气电池、钠离子电池、固体氧化物燃料电池，在Science、Energy Environ. Sci.、Adv. Mater.、Adv. Energy Mater.、J. Am. Chem. Soc.等学术期刊上，发表学术论文累计400余篇，引用2.9万余次，为科睿唯安材料领域全球高被引科学家和爱思唯尔中国高被引学者，授权或公开专利40余件。锂离子电池正极材料、快充技术、电池健康状态超声检测技术等成果已实现应用。2015年获教育部自然科学一等奖、2016年获国家自然科学二等奖（排1）。

沈越副教授

沈越，副教授，2011年博士毕业于北京大学工学院，曾赴美国佐治亚理工学院留学2年，现任华中科技大学材料科学与工程学院副教授。主要研究方向包括：锂空气电池、锂离子电池的超声波检测与分析、搅拌式自分层电池。曾经以第一或通讯作者身份发表学术论文30余篇，其中17篇发表在影响因子>10的期刊上，包括Science、Joule、J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem. Int. Ed.、Adv. Mater.等权威期刊。获授权发明专利10余项。2016年获国家自然科学二等奖（排5）。

第一作者介绍

邓哲博士生

邓哲，华中科技大学在读博士，同时在华中科技大学无锡研究院担任助理研究员。多年以来从事超声电池检测的技术开发与研究工作。主导研发了“实验室电池超声扫描系统”，“产线电池超声检测系统”，“电池超声管理系统”等多项基于超声技术的电池测试设备。

课题组宣传：

动力与储能电池实验室成立于2008年，以华中科技大学材料科学与工程学院、材料成形与模具技术国家重点实验室为依托，实验室现有教授(博导)4名、副教授2名、讲师1名、博士后8名、在读博士研究生20名、硕士研究生20余名。

研究方向主要包括锂离子动力与储能电池、下一代电池、固体氧化物燃料电池以及关键材料等。实验室承担了国家杰出青年基金科学项目、国家自然科学重点、面上及青年基金、科技部863项目、国际合作项目以及企业横向课题等；实验室共发表论文400余篇，其中IF大于10的论文140余篇、ESI高被引论文50余篇、热点论文10篇，引用2.5万余次，授权和公开发明专利30余件。锂离子电池正极材料、电池快充关键技术、电池健康状态超声检测技术及设备等一批成果已实现成果转化和应用。实验室成立十年来，共培养博士和硕士研究生100余名，其中已毕业的博士研究生中80%赴美国、欧洲等（如麻省理工学院、斯坦福大学、加州大学伯克利分校、佐治亚理工大学、得州大学奥斯汀分校、马里兰大学等）从事博士后研究，目前已有12人晋升为教授，获国家青年人才计划6人。“储能用高性能复合电极材料的构筑及协同机理”获2015年教育部自然科学一等奖和2016年国家自然科学二等奖。