Small Methods:同步辐射X射线三维断层扫描成像技术用于二次电池研究进展

中科院崔光磊、孙富,中南大学陈立宝Small Methods综述:同步辐射X射线三维断层扫描成像技术用于二次电池研究进展

摘要:涉及锂离子电池,锂金属电池,钠、钾、镁基电池

以二次电池为代表的新一轮储能技术变革方兴未艾,并将持续改变人类的生活与生产方式。电动交通、智能机器、新型储能电池等新兴产业蓬勃发展,迫切需要高能量密度、高安全性、大功率和长循环寿命的二次电池。为了满足上述需求,近年来针对各种新型电池,如锂金属电池(LMBs)、钠离子电池(NIBs)、钾离子电池(KIBs)、全固态电池(ASSBs)及镁离子电池(MIBs)等多价金属电池技术的研究正在兴起。这些新型电池技术虽然存在能量密度高、价格便宜等优势,但与现行商用锂离子电池技术相比,尚存在容量衰退快、库伦效率低、倍率性能差、使用寿命短等缺点。为了深入研究新型二次电池性能衰退机制以加速其实际应用化进程,研究人员普遍采用非原位、拆解式的研究方法来探索电池的工作原理及衰退机制。但是通过这种研究方法获得的信息是二维、非原位的。相对于上述研究方法,基于同步辐射X射线三维断层扫描成像技术的研究方法具有不可比拟的无损、实时、原位等优势,适用于对二次电池工作原理、反应过程方面的研究。近年来,采用该项技术用于二次电池衰退机制的研究越来越多,同时对各种新型二次电池工作原理及衰退机制的理解也越来越深。因此,进一步加大推广同步辐射X射线三维断层扫描成像技术在二池电池领域研究的应用、合理总结各类新型二次电池的工作机制与衰退原理,将有助于开发循环稳定性好、容量保持率高、库伦效率高、倍率性能优异及使用寿命长的新型二次电池。

近日,中国科学院青岛生物能源与过程研究所崔光磊研究员、孙富研究员与中南大学陈立宝教授合作,对同步辐射X射线三维断层扫描成像技术在二池电池领域的研究应用进行了全面的总结及概述。

同步辐射X射线三维断层扫描表征二次电池的优势及应用

该综述主要分为六部分。

第一部分为引言,介绍了各类二次电池研究面临的困境及常规表征手段用于电池工作原理与衰退机制研究的局限性。引言末尾对比了三类三维表征技术,即有损式的FIB/SEM,中子三维断层扫描成像及X射线三维断层扫描成像。同时列举了世界范围内主要同步辐射光源装置。

第二部分主要介绍了同步辐射X射线三维断层扫描成像的原理,包括2.1,同步辐射X射线的产生(对比实验室X射线管产生的X射线);2.2,X射线与物质间的相互作用(基于X射线吸收的吸收成像原理及基于X射线相变化的衬度成像原理);2.3,二维X射线投影成像原理(空间分辨率的决定因素及成像灰度值的具体含义);2.4,三维X射线断层扫描成像原理(二维图像滤波依据及back-projection三维重建原理)。

第三部分主要介绍了同步辐射X射线三维断层扫描成像的相关仪器设备,包括,3.1,SX-CT, TXM及STXM成像技术所需要的主要设备仪器(包括X光线能量、聚焦或平行X光及检测器类型);3.2,与光谱表征技术联用的三维断层扫描成像技术(基于XAS的TXM-XANES技术);3.3,与(实时)原位表征技术相匹配的原位电化学池;3.4,该项技术表征二次电池的优势。

第四部分简单介绍了采用该项技术表征二次电池的用户指南,包括成像分辨率大小、视野大小、X射线能量的决定因素及数据处理等。

第五部分详细介绍了采用该项技术用于各种二次电池研究的具体事例,包括5.1,锂基电池(锂离子电池与锂金属电池);5.2,非锂基电池(钠、钾、镁基电池等)。

第六部分作者对相关工作进行了总结,并且基于现有的同步辐射表征方法与二次电池发展趋势现状,进一步展望了未来同步辐射X射线三维成像技术在二次电池领域的研究前景。

[通讯作者简介]

崔光磊,博士,中国科学院青岛生物能源与过程研究所研究员,博士生导师,享受国务院特殊津贴专家,先后获得中科院“百人计划”终期评估“优秀”奖、国家自然科学基金“杰出青年”基金获得者称号等。主要从事高能量密度固态锂电池及高效能源储存与转换器件的研究,作为负责人主持新能源汽车专项国家重点研发计划项目、中科院战略先导专项、国家自然科学基金委杰出青年基金和重点基金、863计划项目等多项科研项目。先后在材料、化学、能源材料等方面的国际权威杂志Nat. Commun.Angew. Chem. Int. Ed.Adv. Mater.Environ. Energy ScienceAdv. Energy Mater.J. Am. Chem. Soc.Adv. Sci.等发表文章300多篇,他引20000多次,申请国家专利190余项,授权90余项,授权PCT专利6项,出版《动力锂电池中的聚合物材料》一部。

陈立宝,博士,中南大学“升华学者”特聘教授,博士生导师,湖南省“杰出青年”基金获得者。主要研究方向为高性能电极材料及极端环境应用的锂电池。近5年主持承担了国家级某重点项目课题3项、装备发展部科研项目、国家自然科学基金重点项目、面上及青年项目,国家重点研发计划子课题,重大产业化项目,重大横向课题。在Adv. Sci.ACS Energy Lett.等期刊上发表学术论文60余篇,论文SCI总他引次数5000余次。研发的宽温范围锂离子电池技术已成功产业化,开发的高安全大功率锂离子电池,技术评估1000万元进行产业化。

孙富,博士,中国科学院青岛生物能源与过程研究所项目研究员。自博士研究生开始至今,一直专注于采用无损、原位、三维、可视化的同步辐射X射线三维断层扫描成像技术研究下一代高比能、高容量二次电池工作原理与衰退机制等工作,以(共)第一或通讯作者发表相关文章28篇,包括Materials Today(2篇),ACS Energy Letters(4篇),Nano Energy(3篇),ACS Nano(1篇)等。主持参加了国家自然科学基金青年项目、国家自然科学基金-地区联合基金项目及中国科学院青岛生物能源与过程研究所科研基金项目。

论文信息:

Synchrotron X-Ray Tomography for Rechargeable Battery Research: Fundamentals, Setups and Applications

Fengcheng Tang, Zhibin Wu, Chao Yang, Markus Osenberg, André Hilger, Kang Dong, Henning Markötter, Ingo Manke, Fu Sun*, Libao Chen*, Guanglei Cui*

Small Methods

DOI: 10.1002/smtd.202100557

原文链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smtd.202100557