蔡司X射线显微镜XRM新能源电池无损检测内部结构的利器

 　　新能源技术高速发展，电池材料的能量密度、充放电速率、寿命和安全性仍然是研究热点，而锂电池以其持久耐用、轻便环保等优势占据着重要地位，其中，负极材料、固态电池电解质的研究尤为突出。

　　蔡司X射线显微镜(XRM)作为科学家探究新能源电池内部结构的利器，近三年帮助新能源研究用户发表成果超过400篇。

　　本期我们筛选其中4篇比较有代表性的成果和大家一起分享。

　　成果一：

　　仿生电极破解硅负极膨胀魔咒

　　西安交大宋江选教授团队受肌肉组织仿生结构启发，研发出仿生AGO-Si/C电极。蔡司X射线显微镜XRM三维重构结果显示：

　　✓ 氧化石墨烯片垂直定向排列(层间距10-30μm)

　　✓ 孔隙率仅7.95%实现超高堆积密度

　　✓ 循环后电极表面无裂纹，结构保持完整

　　✓ 半电池400次循环后容量保持率>80%

　　这项发表在《Advanced Functional Materials》的研究，让硅负极实现了4.1 mg cm⁻²的高负载和10.0 mAh cm⁻²的面积容量，超过商用石墨(约3 mAh cm⁻²)和多数文献报道值，为高能锂电池商业化提供技术支撑。

　　成果二

　　混合导电层驯服锂枝晶

　　中科院杨春雷/吴唯团队打造的MIEC导电层，通过蔡司XRM清晰呈现：

　　✓ 锂金属半嵌入聚酰亚胺骨架孔隙

　　✓ 提供抑制枝晶三维形貌证据

　　✓ 全电池220次循环后容量保持率85.4%

　　发表在《Advanced Functional Materials》的成果显示，该设计使锂金属电池在5mA/cm²高电流下循环寿命突破7500h，有效抑制锂枝晶。

　　成果三：

　　弹性电解质终结"千斤顶"电池

　　南京大学何平/周豪慎团队研发的弹性固态电解质，经蔡司XRM验证：

　　✓ 弹性电解质和无机电解质的三维结构差异对比

　　✓ 无外部压力下循环300次容量保持率达90.8%

　　✓ 固态锂/弹性电解质/磷酸铁锂电池在400次循环后仍保持143.3 mAh g⁻¹的容量

　　《Nature Communications》研究表明，该技术解决了固态电池需要高外部压力的问题，显著提升了电池的循环稳定性和安全性，推动了固态电池的实际应用。

　　▲文章原图，其中图d(I)-(II)为弹性电解质2D/3D XRM图像，图d(III)-(IV)为无极电解质2D/3D XRM图像

　　突破四：

　　超薄电解质膜破解"相分离"困局

　　清华大学欧阳明高院士团队通过蔡司XRM三维成像发现：

　　✓ 硫化物电解质(LPSC)连续网络占比95.15%

　　✓ 0.5C倍率下循环120次后容量保持率达92.9%

　　✓ 膜厚36μm离子电导率达1.43mS/cm

　　《Advanced Functional Materials》显示，该研究成功解决了硫化物电解质膜在湿法加工中的粘合剂兼容性问题，实现了超薄、高导、柔韧的电解质膜制备，推动了全固态电池的商业化进程。

　　总结

　　蔡司X射线显微镜通过对电池内部无损的多尺度的3D和4D成像，可实现对电池材料的结构，以及对多次充放电/循环过程中在电池中发生的结构变化进行成像，进而对电池内部的颗粒和孔隙尺寸或迂曲度等进行量化分析和后续的模拟，帮助科学家进行新型电池材料的开发和研究。

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