技術中心2025-04-22
鋰離子電池是人類可再生清潔新能源發展的重要一環。我國已經最先把“碳達峰“與”碳中和“納入了政府重點工作計劃。一方面，研究人員不斷探索通過新材料、新技術增加鋰離子電池的能量密度，構建新的能源存儲和輸出生態；另一方面，其安全性也需要在嚴格把控的基礎上不斷提高。例如，將硅顆粒嵌入到鋰離子電池陽極材料的石墨基體中，主要優點是硅（Li15Si4 / 3578 mAh g?1）的理論比容量約為石墨（LiC6 / 372 mAh g?1）的十倍。但是，硅在鋰化過程中會經歷高體積膨脹（高達300％），循環過程中的體積膨脹和收縮導致陽極材料的微觀結構發生斷裂、剝落或分層等不可逆變化不僅降低鋰電池壽命，更會使其安全性存在重大隱患。
近日，奧地利Leoben材料中心（MCL）的Roland Brunner博士及其小組在自然集團Communications Chemistry雜志上，發表了在鋰電池硅基陽極活性材料在非均質鋰化方面的新發現。他們研究了一種非晶硅（a-Si）/結晶硅化鐵（c-FeSi2）合金納米復合陽極材料。通過實驗表面，這類活性和接近非活性成分的納米復合結構增強了陽極材料的循環穩定性。
上圖a展示了利用蔡司場發射掃描電鏡特有的鏡筒內能量選擇性背散射探測器（Inlens ESB）在低電壓下識別出石墨顆粒（灰色）及其內部孔隙（黑色），a-Si / c-FeSi2（灰色）顆粒及其之間的納米孔隙網絡（黑色）的分布和細節。并采用3KV分別在整體和顆粒細節區域采集了元素C，Si，Fe和O的面分布圖像（如圖b和d–g所示）。圖h突出顯示了a-Si / c-FeSi2顆粒，這是典型的Si / FeSi2合金納米復合材料納米結構。
為了進一步了解非晶硅（a-Si）/結晶硅化鐵（c-FeSi2）納米尺度相的（去）鋰化和不可逆的體積變化及其因循環而引起的變化，以及它們對鄰近孔隙網絡的影響，Brunner博士使用蔡司雙束電鏡分別對原始電極和經過100個充放電循環后的電極進行了FIB連續切片和3D重構及統計分析（圖2）。
得益于ESB探測器出色的成分襯度圖像，在上圖b原始陽極材料中可觀察到三個不同的相：石墨（青色），孔隙網絡（藍色）和a-Si / c-FeSi2顆粒（紅色）。而在上圖c經過100個循環（去鋰化）的陽極材料中，觀察到了原始陽極中不存在的新的物相（綠色）。該相在化合物顆粒和石墨的附近擴散，并且不存在于原始陽極中。Brunner博士推斷循環后出現的新區域（綠色）可能與SEI的增長相關。
統計分析表明，100個循環后的陽極每單位面積的粒子數顯著增加，相對于原始陽極中最大粒子數增加了約10倍。與原始狀態相比，a-Si / c-FeSi2顆粒的表面積呈現出更粗糙的外觀，這表明形成了枝晶結構。另外，上圖c中顯示循環后的樣品出現了微孔網絡收縮現象。
為了更詳細地量化和統計復合陽極材料中的微孔網絡，Brunner博士借助歐洲同步輻射光源實驗室（ESRF）上的微米計算機斷層掃描成像技術(μ-SCT)系統分析了更大的樣品感興趣區（如下圖）。除了同步輻射光源，蔡司X射線顯微鏡（點擊查看）可以在實驗室更便捷地獲得同級別的高分辨高襯度的三維數據，為電極材料的微孔網絡分析及電解液流動模擬提供數據支撐。
多尺度、多維度的分析和研究表明，鋰離子電池的電化學性能不僅取決于所用的活性材料，而且還取決于活性材料的鄰近結構（如3D孔隙網絡）。這種擴展的認知對于指導未來陽極材料的研發以及將陽極材料提升改進到更高的技術水平至關重要。
下一步，Brunner博士計劃嘗試研究更先進的微/納米尺度結構設計來提高硅基陽極材料的機械穩定性，另一方面，他正在致力于合作實現基于機器學習的算法用于圖像分析的工作流程，以定量復雜的陽極形態和其在循環過程中的變化，從而進一步提高鋰電池的循環壽命和安全性。
在成都小區電梯內電動車鋰電池起火事件發生后，經過醫院的全力搶救和社會愛心人士的踴躍捐款，包括一名5個月大的嬰兒在內的5位傷者目前均已脫離的生命危險。相信希望隨著科學和技術的進步，未來的生活中一定會更加和諧、幸福與安寧。
近日，奧地利Leoben材料中心（MCL）的Roland Brunner博士及其小組在自然集團Communications Chemistry雜志上，發表了在鋰電池硅基陽極活性材料在非均質鋰化方面的新發現。他們研究了一種非晶硅（a-Si）/結晶硅化鐵（c-FeSi2）合金納米復合陽極材料。通過實驗表面，這類活性和接近非活性成分的納米復合結構增強了陽極材料的循環穩定性。
為了深入分析Si/FeSi2復合陽極材料在不同過程和尺度下的量化結構和化學信息，他們與多個學科團隊協同工作，使用了蔡司場發射掃描電鏡（點擊查看），雙束電鏡（點擊查看）和歐洲同步輻射光源實驗室（ESRF）上的微米CT顯微鏡等對此復合材料的循環和老化過程進行了多尺度的表征和建模分析。
▲使用蔡司GeminiSEM 450 拍攝的原始陽極（截面經離子拋光處理）ESB成分襯度圖像及能譜面分析數據。
上圖a展示了利用蔡司場發射掃描電鏡特有的鏡筒內能量選擇性背散射探測器（Inlens ESB）在低電壓下識別出石墨顆粒（灰色）及其內部孔隙（黑色），a-Si / c-FeSi2（灰色）顆粒及其之間的納米孔隙網絡（黑色）的分布和細節。并采用3KV分別在整體和顆粒細節區域采集了元素C，Si，Fe和O的面分布圖像（如圖b和d–g所示）。圖h突出顯示了a-Si / c-FeSi2顆粒，這是典型的Si / FeSi2合金納米復合材料納米結構。
為了進一步了解非晶硅（a-Si）/結晶硅化鐵（c-FeSi2）納米尺度相的（去）鋰化和不可逆的體積變化及其因循環而引起的變化，以及它們對鄰近孔隙網絡的影響，Brunner博士使用蔡司雙束電鏡分別對原始電極和經過100個充放電循環后的電極進行了FIB連續切片和3D重構及統計分析（圖2）。
▲a為a-Si / c-FeSi2陽極的三維重構納米FIB-SEM圖像數據。單張切片厚度為20nm，分析體積（VOI）為20×34×20μm3，b.原始陽極和c.100次循環后的陽極組分數據。d.原始陽極和100次循環后陽極材料的單位面積Si / FeSi2顆粒數的統計分布。e.原始陽極在z方向上500個切片上的孔隙體積％的統計信息。藍色部分為孔隙。
得益于ESB探測器出色的成分襯度圖像，在上圖b原始陽極材料中可觀察到三個不同的相：石墨（青色），孔隙網絡（藍色）和a-Si / c-FeSi2顆粒（紅色）。而在上圖c經過100個循環（去鋰化）的陽極材料中，觀察到了原始陽極中不存在的新的物相（綠色）。該相在化合物顆粒和石墨的附近擴散，并且不存在于原始陽極中。Brunner博士推斷循環后出現的新區域（綠色）可能與SEI的增長相關。
統計分析表明，100個循環后的陽極每單位面積的粒子數顯著增加，相對于原始陽極中最大粒子數增加了約10倍。與原始狀態相比，a-Si / c-FeSi2顆粒的表面積呈現出更粗糙的外觀，這表明形成了枝晶結構。另外，上圖c中顯示循環后的樣品出現了微孔網絡收縮現象。
為了更詳細地量化和統計復合陽極材料中的微孔網絡，Brunner博士借助歐洲同步輻射光源實驗室（ESRF）上的微米計算機斷層掃描成像技術(μ-SCT)系統分析了更大的樣品感興趣區（如下圖）。除了同步輻射光源，蔡司X射線顯微鏡（點擊查看）可以在實驗室更便捷地獲得同級別的高分辨高襯度的三維數據，為電極材料的微孔網絡分析及電解液流動模擬提供數據支撐。
▲European Synchrotron Radiation Facility (ESRF)同步輻射上的μ-SCT結果。顯示出a原始陽極材料與b經過300次循環后的陽極材料中a-Si / c-FeSi2與孔隙結構的距離及Hausdorff metric統計結果。 紅色表示距離較近，藍色表示距離較遠
多尺度、多維度的分析和研究表明，鋰離子電池的電化學性能不僅取決于所用的活性材料，而且還取決于活性材料的鄰近結構（如3D孔隙網絡）。這種擴展的認知對于指導未來陽極材料的研發以及將陽極材料提升改進到更高的技術水平至關重要。
下一步，Brunner博士計劃嘗試研究更先進的微/納米尺度結構設計來提高硅基陽極材料的機械穩定性，另一方面，他正在致力于合作實現基于機器學習的算法用于圖像分析的工作流程，以定量復雜的陽極形態和其在循環過程中的變化，從而進一步提高鋰電池的循環壽命和安全性。
在成都小區電梯內電動車鋰電池起火事件發生后，經過醫院的全力搶救和社會愛心人士的踴躍捐款，包括一名5個月大的嬰兒在內的5位傷者目前均已脫離的生命危險。相信希望隨著科學和技術的進步，未來的生活中一定會更加和諧、幸福與安寧。
