工业CT扫描技术用于研究锂离子电池热失控

 　　Finegan等采用工业CT扫描技术，结合热学和电化学测试技术，考察了商业锂离子软包电池过充导致的热失控机理。该电池以LiCoO2为正极，石墨为负极。电池在100% SOC(4.2V)下，以3A(18.75C)过充直至失效。

　　(a) LiCoO2软包电池表面温度的实施热成像图，其中绘制了方框区域的平均温度。(b)在热失控前后，电池电压和表面温度曲线。

　　图19、

　　(a)新鲜态软包电池的三维重建。LiCoO2电极为灰色部分，铜集流体和胶带为黄色部分。(b)三维重建图展示热失控后的软包电池。铜和 LiCoO2标记为黄色，Al标记为蓝色。

　　热失控软包电池出现分段的Al相，分别在电极层顶部和底部团聚。 LiCoO2和电解质分解产气，气体可从内层扩散到外层，很可能把熔融的Al送至卷针的末端。电池两端出现Al液滴的多孔结构，证明气体对于熔融金属的扩散起到重要作用。产气不均匀，会导致贴合紧密的伤口层(wound layer)出现蠕动效应，使熔融Al扩散至两端。使用CT，对图19(b)中的A区域取样，发现表面存在Co。而在图19(b)中的B区域取样，颗粒表面不存在Co。可能是因为外部区域的局部温度更低(由于增强的排热)，或者是电解液不足，导致Co的还原反应无法发生。

　　沿着XZ正交片(b)，涂覆 LiCoO2的新鲜态铝集流体(蓝色)的三维重建图(a)。(c，d)热失控后的铝集流体和 LiCoO2残留物的XZ正交片和三维重建图。

　　热失控后的Al集流体呈现高度多孔形貌，LiCoO2层与层之间的距离变远，有助于热失控过程的气体逃逸。Al的高比热和热导性，能增加热失控之前和热失控期间的局部放热反应的热扩散。

　　(a)LiCoO2电极的三维渲染图显示独立的Co相(蓝绿色);(b)基于衰减模式，LiCoO2颗粒的灰度级片图显示相分离;(c)LiCoO2颗粒(灰色)的半透明三维可视图表明表面和次表面存在Co(蓝绿色)。(d,e)灰度级视图显示Co金属表面层层离现象。(f)残留 LiCoO2电极材料中Co的二维体积分布。

　　解剖的 LiCoO2颗粒的CT图显示严重的微观结构降解现象。在电极颗粒中存在Co金属表面层。半透明三维渲染图显示颗粒表面存在Co，颗粒内部存在Co通道。Co金属的密度是 LiCoO2 的2倍左右，Co层从本体颗粒上发生层离。在热失控期间，层离导致材料表面进一步暴露，发生更多的放热反应。

　　表面样品存在许多的破裂颗粒。颗粒尺寸降低(比表面积增加)，会导致出现不好的结果，比如产热速率增加，热失控发生温度降低。

　　图23、不同状态、不同区域取样的 LiCoO2颗粒的粒径分布。

　　新鲜状态的 LiCoO2颗粒的粒径分布集中在3.87um，热失控后的颗粒平均粒径分别降低至1.99um和1.97um，粒径分布宽度明显不同。内部样品的粒径分布在2um以下出现单峰，归因于相转变过程的颗粒收缩以及明显的碎片(包含破裂的颗粒和层离的Co)。外部样品的粒径分布出现双峰，大部分分布在更小的颗粒直径范围。直径1um以下的颗粒显示更高频率分布，而第二个峰可能是破裂的大颗粒的小碎片。

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　　小结

　　X射线工业CT扫描技术在研究电极材料或者电池方面有很大的应用价值。相比于破坏性手段，使用工业CT无损扫描手段能获得更多的材料或电极结构变化信息。CT手段有助于研究人员以更高效、精确的方式设计和分析材料与电池。

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