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  儲能解決方案的開發(fā)，特別是對電池的開發(fā)多年來一直是最活躍的工業(yè)領(lǐng)域之一。隨著電力流動性、互聯(lián)對象和通信手段的指數(shù)級增長，應(yīng)用的領(lǐng)域越來越多，面臨的風(fēng)險也隨之增加。

當(dāng)前的儲能環(huán)境

當(dāng)談到電化學(xué)電池時，有一個基本原則：電池在充電時將電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能，反之，在放電時恢復(fù)電能。這一原則在鉛電池中已經(jīng)使用了150年。鋰離子電池設(shè)計于30多年前，是當(dāng)今各個領(lǐng)域中最廣泛的解決方案。它的高效率（比同等重量的鉛電池的功率高3倍）和高循環(huán)使用次數(shù)使其成為最有效的解決方案。然而，現(xiàn)有產(chǎn)品仍存在許多問題需要改進，例如存儲容量、制造成本、安全性、生態(tài)成本和預(yù)期壽命。本應(yīng)用說明中詳述的重點是最后兩點。

鋰離子電池簡介

鋰離子電池由許多單體電池組成，每個電池由兩個可以交換離子的電極組成，能夠產(chǎn)生幾伏電壓。

鋰離子在放電過程中從陽極遷移到陰極，這是一種可逆現(xiàn)象，可以讓電池充電，如下圖所示。

鋰離子電池的電極由含活性粒子的多孔網(wǎng)絡(luò)材料、導(dǎo)電劑和粘合劑組成。這三種成分的三維分布對電池的充電容量起著至關(guān)重要的作用。因此，提高電池性能的關(guān)鍵是能在非常小的范圍內(nèi)對電極化學(xué)成分的進行分析。

傳統(tǒng)的材料分析方法通常需要破壞樣品，并且不允許在充電和放電循環(huán)期間監(jiān)測電池的變化。此外，這些技術(shù)只能提供二維尺度的信息，有很大的局限性。

工業(yè)CT（X射線顯微層析成像技術(shù)）為觀測循環(huán)過程中電極降解機制提供了技術(shù)解決方案：

l 采集數(shù)據(jù)時使用“原位”測量，觀測充電、放電循環(huán)時電池的變化。

l 獲得的結(jié)論數(shù)據(jù)是在亞微米精度上對電極進行的三維分析。

這項工作由里昂國家航空航天局MATEIS實驗室進行

法國里昂的MATEIS實驗室是公認的材料分析研究中心。該團隊由Eric Maire領(lǐng)導(dǎo)，是使用X射線顯微層析技術(shù)對材料進行表征的先驅(qū)實驗室之一。2013年開始，實驗室使用RX Solutions的Easy Tom 160工業(yè)CT，能夠獲得接近同步加速器斷層掃描效果的分辨率，如格勒諾布爾的ESRF、瑞士的SLS或巴黎的Soleil，同時具備遠大于這些大型儀器的廣泛的應(yīng)用范圍。

在MATEIS實驗室，維克多·范佩恩與加拿大瓦倫內(nèi)斯國家科學(xué)研究院（INRS）聯(lián)合開展的博士研究在兩個不同領(lǐng)域取得了進展。

電極制造工藝

到目前為止，鋰離子電池的電極使用的是一種基于有機粘合劑（PVDF）的配方，這種粘合劑只能溶于一種已知具有高度致癌和毒性（NMP）的溶劑中。人們已經(jīng)做了大量工作，用污染較少的溶液替換粘合劑。在維克多·范佩恩的研究中，使用的粘合劑是一種水溶性化合物：羧甲基纖維素或CMC。結(jié)果表明，使用活性粒子）（如與CMC結(jié)合的硅）獲得的性能優(yōu)于現(xiàn)有電池，而且污染更少。然而，在多孔碳質(zhì)襯底上沉積時出現(xiàn)了一個困難：后者是疏水性的，傳統(tǒng)工藝產(chǎn)生的硅團聚體對電池的效率影響較大。通過工業(yè)CT的分析，可以確定******的制造工藝。

充、放電循環(huán)過程中的電極劣化

由于電池的工作特性與電極中多孔網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)變化有關(guān)，因此可以通過在整個充電和放電階段跟蹤膨脹、收縮、脫氣、裂紋形成和脫粘現(xiàn)象來觀察電極的劣化情況。

測試材料為鋰離子電池

所分析的電極由80%的活性硅顆粒、12%的導(dǎo)電劑和8%的粘合劑組成。通過在受控條件下研磨粉末20小時獲得活性硅顆粒，然后將其與粘合劑和導(dǎo)電添加劑混合到糊狀溶液中。最終混合物中硅顆粒的平均直徑為0.8μm。該電極沉積在碳紙基板上，而不是金屬上，主要是為了避免在密度非常高的材料（如銅）的情況下在層析成像中出現(xiàn)金屬偽影。

電極由鋰金屬構(gòu)成，這兩個電極由浸有電解液的纖維分離器隔開，電解液是溶解在有機溶液中的鋰鹽（LiPF6）。