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RX Solutions丨納米級工業(yè)CT在電池產(chǎn)業(yè)全新應(yīng)用(上) |
發(fā)布者:admin 點擊:1283 發(fā)布時間:2022-1-11 |
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,面臨的風險也隨之增加。
1當前的儲能環(huán)境
當談到電化學(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。
2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:
·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。
·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。
3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。
4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。
5測試材料為鋰離子電池
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)。
6操作設(shè)備EasyTom 160
EasyTom 160工業(yè)CT是RX Solutions系列設(shè)備中精度最高的,X射線管中極高的電子束聚焦水平和靶材精細度允許獲得非常小的X射線聚焦,最高掃描精度可達300納米。為了獲得更高亮度的焦點,將鎢靶沉積在金剛石窗口上。該管的設(shè)計提供了亞微米成像所需的熱穩(wěn)定性和電穩(wěn)定性。
設(shè)備同時搭載精確極高的空氣軸承旋轉(zhuǎn)臺和傳感器以便獲得高分辨率、高質(zhì)量的掃描效果。
“EasyTom 160工業(yè)CT是RX Solutions系列機器中用途最廣泛的設(shè)備?!?/div>
本公司主營項目:測量儀器,軸類測量儀,光學(xué)軸類測量儀,vicivision,工業(yè)CT,無損檢測,3D掃描,光學(xué)三坐標,X射線三維成像。 |
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