专题约稿|电池的多尺度分析对储能研究的贡献

专题约稿|电池的多尺度分析对储能研究的贡献

——“锂电检测技术系列——形貌分析技术”专题征文

(作者：赛默飞世尔科技)

　　从我们的手机和笔记本电脑到我们用于建筑和运输的电动交通工具，电池对我们的日常生活至关重要。与此同时，在我们通过引入更高效的电动汽车和替代能源等方式来努力改善地球生活环境时，我们需要更好的新型电池材料来实现性能更高的电池最终目标。这意味着我们需要构建比目前市场上的电池和能量存储设备具备更经济，轻便，紧凑，安全，耐用，易于充电和能量密集的特性电池产品。

　　利用电子显微镜，X射线断层扫描，拉曼显微镜，X射线衍射，FTIR,，和XPS等技术，研究人员可以从毫米到纳米级别对电池进行多尺度的检测，从而发现电池在充电和放电时性能衰减的原因。他们也正在学习如何设计在设计新电池时， 通过用不同的表征手段来检查从原材料，电池元件到最终产品的各个环节，从而得到能够承受极端温度的更安全的电池。

图：比较18650 锂电池充放电前后Cu集流器在每个水平切片的形状

　　上图：通过自动的图像处理来确定Cu集流器在每一个水平切片的位置，可以定量的计算出电池中心部分由于充放电导致电极膨胀而变小。

上图：Thermo ScientificTM HeliScan microCT

　　18650型锂电池被广泛应用于手电筒，电动香烟甚至一些电动汽车等各种电池供电设备。通过使用Thermo ScientificTM HeliScan microCT对这种电池在充放电前后进行3D扫描和成像，研究人员可以定量的研究电池在循环时内部的变化。通过对3D数据的定量分析，我们发现在电池充放电后，电池内部的电极片体积膨胀，中心杆周围的区域减小。 这种体积膨胀可以在电池单元中产生压力。 如果在电池设计中没有考虑到这种效果，电池单元中的压力可能会导致电池短路，从而可能导致灾难性后果。 因此在设计电池的过程中， 电池制造商对此进行量化非常重要。

　　下一代电池的发展对我们的生活影响将是深远的。电动汽车一次充电就可以行驶更长的距离，充电过程需要几分钟而不是几小时。为我们的手机和笔记本电脑供电的电池功能将更强大，使用寿命更长，技术公司也可以将电池使用在更加复杂的应用上，例如虚拟现实。电动工具将持续更长时间并具有更强的输出电流，使工人能够在建筑行业中执行更高能耗的任务。 同时，下一代电池将能够存储更多来自太阳能电池板和风力涡轮机的能量，从而为我们的家庭和办公室提供更高效的电力。

　　今天的大部分研究都集中在通过了解锂离子电池失效的原因来改善锂离子电池的性能。随着具有液体电解质的锂离子电池接近最高性能，科学家们正在探索能量密度更高的材料以及储能器件，例如固态电池，从而实现能量储存方面的进一步突破。

　　使用不同的分析技术在多尺度对电池以及材料进行研究将是更好地理解电池衰减机理和帮助设计下一代新电池的关键。

　　附：关于锂电系列专题约稿

　　近十年间，在能源技术变革以及新兴科技的带动下，全球锂离子电池产量进入飞速增长期，根据公开数据，预计2018年全球锂电池增速维稳，产量达155.82GWH，市场规模达2313.26亿元。中国是锂电池重要的生产国之一，2018年预计全国锂电池产量达121亿只，增速22.86%。

　　锂离子电池产业的蓬勃发展，也为锂离子电池检测领域带来新的机遇。随着锂离子电池基础科学研究仪器水平不断提升，几乎各类先进科学仪器都逐渐在锂离子电池的研究中出现，且针对锂离子电池的研究、制造也开发了许多锂电行业专用的仪器设备。

　　为促进中国锂电检测产业健康发展，仪器信息网结合锂离子电池检测项目品类，将从2018年12月起策划组织系列锂电检测系列专题报道，为专家、仪器设备商、用户搭建在线网上展示及交流平台。锂电检测系列专题内容征集进行中：【征集申报链接】