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技術文章

AI助力新能源分析: 鋰離子電池材料顯微智能分析方案

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        隨著我國新能源汽車產業的規模越來越大,對動力鋰電池的需求,也逐步增加。電動汽車的主要能量源是動力電池,其發展和應用在很大程度上受動力電池性能影響。鋰離子電池發展至今,憑借其高電壓、高能量密度、良好的循環性能和綠色環保等優勢成為在新能源應用中廣泛的化學儲能器件之一。

圖1:鋰離子電池的組成示意圖

 

       鋰離子電池是指以鋰離子嵌入化合物為正極材料電池的總稱,它主要依靠鋰離子在正極和負極之間移動來工作。在充放電過程中,Li+ 在兩個電極之間往返嵌入和脫嵌:充電時,Li+從正極脫嵌,經過電解質嵌入負極,負極處于富鋰狀態;放電時則相反。隨著對鋰離子電池的研究不斷深入,電池工業界正在迅速向更高能量密度和更低成本的電池技術努力,以達成零碳排放的目標。

 

       但是目前在鋰電池使用或儲存過程中仍會出現一定概率的失效,一類是鋰離子電池的材料自身缺陷引起的失效,例如正負極的結構衰退,電解液分解,隔膜的老化等;另一類是鋰離子電池使用及存儲環境引起的失效,例如環境溫度過高,充放電過快,過度充放等,都嚴重降低了鋰電池的使用性能、一致性、可靠性和安全性。

圖2:鋰離子電池失效模式

 

       雖然產品的誕生伴隨著失效,但只要充分了解失效原因,掌握分析失效的方法和利器,就能從根本上找到并解決失效問題。對于鋰電池來說,其失效歸根結底是材料的失效。例如,正極材料因局部Li+脫嵌速率不一致導致材料所受應力不均而產生的顆粒破碎;硅負極材料因充放電過程中發生體積膨脹收縮而出現的破碎粉化;隔膜孔隙阻塞等。電池性能和電池材料性質有著息息相關的關系,準確把握材料的特性,是解決電池問題并提升電池性能的重要途徑之一。

 

軟件特點簡介

 

匯鴻智能科技是一家專注于工業領域微觀智能圖像分析應用解決方案服務商。以“堅持原創,用信息技術引領工業分析”為愿景,可以為用戶提供全場景的鋰電池智能化顯微分析解決方案。匯鴻智能科技研發的”LIBMAS—鋰離子電池材料顯微智能分析系統”(以下簡稱LIBMAS),將高分辨性能的掃描電鏡與智能化的分析軟件相結合,解決從鋰電原材料,到正負極極片、隔膜,鋰電清潔度全系列的鋰離子電池相關分析,助力研究人員開發出性能更優越的鋰電產品。

 

       針對傳統軟件自動化程度不足,操作復雜的弊端,匯鴻智能科技可為客戶量身定制專屬軟件,滿足客戶所有需求,采用先進AI技術及圖像處理技術,可快速準確進行單晶團聚識別、二次顆粒分布均勻性、開裂球識別、截面孔隙統計、隔膜材料孔隙分析等鋰電池材料分析。

 

應用案例

01

01開裂球、截面孔隙識別

       通常在制備三元正極材料時,采用共沉淀法使亞微米一次粒子致密堆積成球形二次粒子,但這種堆積結構容易形成裂紋,導致電池性能衰減。

圖1:軟件智能區分開裂球和普通球

 

 

       通過匯鴻LIBMAS,可快速統計并計算開裂球占比,獲得開裂球裂縫信息,從而改善工藝條件,如圖1。

       在鋰電池中,鋰離子在正極晶格中反復脫嵌,隨著電流密度和顆粒尺寸的增加,僅僅幾個循環就出現晶間裂紋。而產生的裂紋對電池性能、SOC、以及鋰離子傳輸路徑都會有一定影響。

圖2:二次球截面孔隙識別

 

       正極顆粒內部通常為二次球顆粒形成的多晶結構,導致正極晶格在循環中容易發生各向異性體積變化,而產生孔隙。我們將二次球顆粒拋開,發現循環充放電后的顆粒截面出現大量裂痕,如圖2。使用LIBMAS對截面孔隙進行識別,以輪廓中心點為圓心畫出同心圓,以各同心圓圓環內的孔隙率計算同心圓孔隙率RSD,見圖3。

 

圖3:二次球截面孔隙率統計及RSD計算

 

02

02團聚顆粒識別

       正極三元顆粒通常需要在高溫純氧下進行燒結,燒結而成的三元產品一般具有典型的團聚體形貌,即由粒徑約幾百納米的一次粒子組成的粒徑在幾個到十幾個微米之間的二次顆粒。

圖4:一次顆粒團聚形成的二次球顆粒識別

 

       通常團聚體顆粒內部較為密實,一次粒子之間連接處存在晶界。通過匯鴻LIBMAS可高效識別一次顆粒大?。ㄩL、寬、周長、面積等)以及分布情況,如圖4、圖5。

圖5:軟件自動區分團聚顆粒及團聚顆粒截面

 

       相對于單獨的納米粒子,這種形貌的團聚體顆粒具有比表面積小,顆粒流動性好,壓實密度高和電極漿料可加工性好等優點。

 

       然而在團聚體反復的充放電過程中,團聚體內部也反復經受一次顆粒體積變化產生的應力沖擊,容易在一次顆粒之間的晶界處發生破碎。破碎后的顆粒不僅增大了活性物質的比表面積,進而加劇了活性物質和電解液之間的副反應。而且破碎后的一次粒子之間失去了有效的電接觸,也進一步增加了電極材料的阻抗,不利于循環性能的保持。

 

03單晶顆粒識別

圖6:單晶顆粒的識別

 

       團聚體的破碎受多種因素影響。減小體積變化程度可以減小應力應變對團聚體的損傷;另外,從前驅體和燒結工藝入手以盡可能增強燒成的團聚體顆粒內部密實度,增強一次粒子之間的結合力,從而提高團聚體顆??蛊扑榈哪芰?。

 

       另外,相比易產生顆粒粉碎的多晶正極材料,許多研究已經開始從晶體結構本身出發,探究單晶三元正極材料的性能,結果表明單晶三元具有更好的機械強度,從而抑制顆粒破碎,在高溫循環方面也具有更好的熱穩定性。諸如此類的研究都需要準確識別出單晶顆粒及其內部分布情況,匯鴻LIBMAS可以自動識別團聚顆粒中輪廓清晰的單晶顆粒,并測量、統計其直徑,如圖6、7。   

 

圖7:單晶顆粒尺寸統計及分布圖

 

04大小二次球識別

       除此之外,匯鴻LIBMAS還可以精準識別圖像上所有大二次球顆粒與小顆粒,根據面積判斷計算大顆粒與小顆粒分布的均勻性。如圖8、9。

圖9:大小二次球顆粒分布均勻性統計

05隔膜孔隙率統計

       鋰電池隔膜作為鋰電池的重要組成部分,是具有納米級微孔結構的高分子功能材料,其主要功能是防止兩極接觸而發生短路,同時使電解質離子通過。相關研究證實,隔膜的微孔孔徑分布越均勻,電池的電性能越優異。

       孔徑的分布主要采用掃描電子顯微鏡( SEM) 進行觀測,但僅靠肉眼觀測圖片,對孔隙率的表征存在一定誤差且效率低下。因此,若要更準確形象地獲得材料的孔隙率,需要將圖像處理軟件與SEM 結合,以實現隔膜孔隙分布及其定量分析的需求。

圖10:隔膜孔隙識別及孔隙率統計

 

       匯鴻LIBMAS可以快速獲取隔膜的孔隙率信息,檢測隔膜孔隙率、孔隙直徑及纖維直徑并統計分析,從而形象地描述隔膜表面的結構細節,提高鋰電池隔膜孔隙率評定的準確性,如圖10、11。

 

圖11:隔膜孔隙率統計結果及孔隙面積分布圖

 

       針對鋰電行業的特殊需求,匯鴻智能科技開發了一整套智能化鋰離子電池材料分析系統。匯鴻智能科技公司是一家前沿微觀AI圖像分析生態平臺開發公司,以“AI 即專家”為使命, 驅動AI技術,加速實驗室智能化升級,構建實驗室全場景智慧,為工業分析和質量控制賦能。

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