Adv. Sci.锂电检测技术: 【X射线纳米计算机断层成像】快速解析锂离子电池电极颗粒实现高通量定量- 大数跨境

首页

Adv. Sci.锂电检测技术: 【X射线纳米计算机断层成像】快速解析锂离子电池电极颗粒实现高通量定量

科学材料站

2020-05-17

导读：本文描述了一种制备方法和高通量扫描程序，通过带区域板聚焦光学的全场透射X射线显微镜，使用纳米CT在几分钟内对粉末样品进行三维表征。

点击科学材料站

关注我们

First published:30 April 2020

导读

每天都有大量粉末通过严格的控制措施离开生产线。为了使质量检查提供最大价值，它们必须能够以3D方式并以高通量筛选单个颗粒。从概念上讲，X射线计算机断层扫描（CT）可以做到这一点。但是，到目前为止，要实现基于实验室的单个粒子重建，还是需要数十小时甚至几天的扫描时间，尽管同步加速器设备可能具有更快的扫描时间，但是可用性有限，这使得在线产品分析不切实际。

为此,伦敦大学学院Prof. Paul R. Shearing课题组近日在国际知名期刊Advanced Materials上发表了题为“Resolving Li‐Ion Battery Electrode Particles Using Rapid Lab‐Based X‐Ray Nano‐Computed Tomography for High‐Throughput Quantification”的研究文章, Dr. Thomas M. M. Heenan是本文的第一作者。

文章描述了一种制备方法和高通量扫描程序，通过带区域板聚焦光学的全场透射X射线显微镜，使用纳米CT在几分钟内对粉末样品进行三维表征。这在两个下一代锂离子电池正极的不同颗粒形态上得到了证明：LiNi_0.8Mn_0.1Co_0.1O₂ 和LiNi_0.6Mn_0.2Co_0.2O₂；即NMC811和NMC622。结果显示, 内部存在空隙，可以限制能量密度并促进降解，可能影响如电动汽车的驾驶范围等商业应用。

关键词

锂离子, 电极, 粉末, 冶金, X射线CT

背景简介

1. 粉末的应用及存在的问题

全球粉末产量每年约为数百万吨。然而，由于粉末形态和性能之间的紧密联系，许多行业不仅需要生产大量的粉末，而且还需要遵守严格的微观结构标准, 质量保证（QA）能够有效地评估颗粒微观结构，足够快地代表商业制造速度。粉末商业产品的广泛应用领域：

骨植入物需要足够的机械完整性否则可能需要早期更换，给患者带来更大风险。因此，结构缺陷（如开裂颗粒）可能会带来重大问题;
催化剂颗粒可能会相应地调整大小，以产生足够的反应活性，否则反应生成速率可能下降，从而改变工厂的盈利能力;
锂离子电池（LIB）中的电极颗粒，在电动汽车（EV）中，要求化学和形态一致性的缺陷电极可能导致驱动范围不足，或电池组过早更换。

2. X射线纳米计算机断层成像的优势

X射线计算机断层扫描（CT）已经彻底改变了三维微观结构分析领域。X射线管和区域板聚焦光学的快速发展产生了实验室的系统，能够证明与专业同步加速器设备相当的成像质量。此外，尽管有其他方法，如ptychography，提供了超越这些区域板限制的能力，必须在空间分辨率、采集时间、样本量、数据大小和成本之间进行权衡。

但是, 很少报告高吞吐量、基于实验室的成像，即。，快速扫描大体积的能力，同时保持足够的分辨率以可视化感兴趣的特征。同步辐射源产生的X射线束的光通量和亮度显著提高，允许较低的曝光时间，因此成像速度更快，然而，访问受到严重限制。基于实验室的系统可能位于生产线的直接附近，并且，如果采集时间可以与生产速度保持一致，则周期性扫描样品的能力可以充分反映制造质量的任何波动。

3. LIB正极电极的研究现状

早期商业化的LIB正极电极主要由钴组成，如LiCoO₂（LCO）；然而，由于毒性和成本等问题，目前正在探索替代物，如LiNixNyCoZo2（NMC）。目前，富镍的NMC化学，例如，LiNi_0.8Mn_0.1Co_0.1O₂ 和LiNi_0.6Mn_0.2Co_0.2O₂特别令人感兴趣，特别是因为它们对汽车应用具有良好的性能特性。

文章介绍

LIB材料在本文研究中呈现出有趣的粉末，因为它们的制造差异很大，甚至在相同或非常相似的化学成分中也是如此，并且通常具有诸如裂纹和颗粒表面下的内部空隙等特征，而三维X射线成像是理想的评估方法。因此，本文以NMC811和NMC622粉末为例进行研究。

作者报告了如何使用高通量纳米CT制备粉末用于微观结构评估，为3D质量保证提供了一个平台，该平台由于能够解析地下特征而优于2D成像；由于增加了材料吞吐量和获取额外空间维度而获得了更优的统计数据；以及，由于减少了透视/视差误差而提高了精度。这些技术作为QA筛选程序具有很大的潜力，因此可以用最少的采集时间和计算要求定期评估样本。此外，该技术不仅限于电池技术，还可应用于更广泛的粉末冶金领域。

图一: 颗粒表征分析。

Analyzing single NMC811 particles characterized using 5‐min X‐ray computed tomography (CT). Radii measurements including error bars for the four particles (red, green, blue, and yellow) at eight azimuthal positions for a) the x−y, b) the x−z, and c) the y−z orthogonal planes. All quantifications reported are from the 5‐min X‐ray CT data. Raw values can be found in Table S1 and S2, Supporting Information.