鋰離子電池極片的3D微觀結構

鋰離子電池極片的微觀結構對電池性能有重大影響。目前，采用計算機仿真技術可以模擬鋰離子電池微觀結構與電池性能的關系。但是，由于缺乏電池極片微結構的真實實驗數(shù)據(jù)，通常采用隨機模型生成電池極片微結構的簡化圖像，這與實際結構往往存在差別。

蘇黎世聯(lián)邦理工學院的MartinEbner等人啟動了一個電池微觀結構項目，他們采用X射線斷層掃描技術采集電池微觀結構圖像，免費提供下載鋰離子電池多孔電極和隔膜的三維微觀結構和電化學數(shù)據(jù)。下載相關數(shù)據(jù)。

鋰離子電池極片可看成一種復合材料，主要由四部分組成：

(1)活性物質顆粒，嵌入或脫出鋰離子，正極顆粒提供鋰源，負極顆粒接受鋰離子;

(2)導電劑和黏結劑相互混合的組成相(碳膠相)，粘結劑連結活物質顆粒，涂層與集流體，導電劑導通電子;

(3)孔隙，填滿電解液，這是極片中鋰離子傳輸?shù)耐ǖ?

(4)集流體。

在電化學過程，極片涂層主要包括以下幾個過程：

(1)電子傳輸;

(2)離子傳輸;

(3)在電解液/電極顆粒界面發(fā)生電荷交換，即電化學反應;

(4)固相內鋰離子的擴散。極片微觀結構中，顆粒粒徑大小和分布會影響鋰離子擴散路徑和電化學反應比表面大小，孔徑大小和分布會影響電解液的傳輸過程，孔隙迂曲度決定鋰離子傳輸距離，等等。這些微結構特征都會最終影響電池性能。

利用電池微觀結構開源數(shù)據(jù)，科研工作者可以研究電池極片微結構特征，電池微觀機理，以及微結構控制技術。比如利用這些電池極片三維數(shù)據(jù)生成有限元模型，將這些真實微觀結構模型作為輸入，仿真模擬電池的性能，建立微觀結構與電化學性能之間的關系。我們實際電池設計和制造者也可以采用這些數(shù)據(jù)直觀認識和理解電池極片的微觀結構特征，實現(xiàn)對極片微觀結構的優(yōu)化和更精確地控制。以下對開源數(shù)據(jù)簡單說明，并示例三維立體圖像重構過程。

電極微觀結構開源數(shù)據(jù)主要是NMC111正極極片，包括活物質NMC111：粘結劑PVDF：導電劑SuperC65比例分別為90：5：5、92：4：4、94：3：3、96：2：2四種配方的極片，每種配方又分別經(jīng)歷0T、300T、600T、2000T壓力條件輥壓，共計16種極片。由于X射線CT掃描分辨率限制，極片微觀結構只能區(qū)分活物質顆粒和孔隙兩相，碳膠相被看成了孔隙。電化學數(shù)據(jù)是將極片組裝成紐扣半電池進行的測試。