納米CT如何顛覆鋰電池研發，打造更強、更安全的電池

鋰電池作為清潔能源發展的核心，正不斷向高能量密度、長壽命和高安全性的方向邁進。在這一過程中，材料的微觀結構和性能之間的關聯成為研究的關鍵，而傳統檢測手段往往難以滿足亞微米尺度上的準確解析需求。Nano-CT（納米計算機斷層掃描）技術以其高分辨率、無損成像和三維重建能力，為鋰電池研發和質量控制提供了革命性的支持。

一、Nano CT 技術概述

Nano-CT 是一種基于 X 射線的無損成像技術，通過納米級的空間分辨率實現樣品內部結構的三維重建。與傳統的 Micro-CT 相比，Nano-CT 能以更高的精度捕捉微觀細節，尤其適用于分析鋰電池中的關鍵微觀結構，如活性顆粒、電解質界面、孔隙分布等。

• 分辨率：可達幾十納米，適合解析亞微米級的結構特征。

• 無損性：無需破壞樣品，可用于后續的多方法聯合研究。

• 三維重建：實現全景式觀察，彌補傳統二維成像的局限性。

新推出的 Neoscan N90 高分辨納米CT，是世界首臺臺式納米 CT 系統，具有 40nm 超高分辨率，樣品尺寸大小為 100mm*400mm，可選配集成的 XRF 系統，進行化學成分分析，鉀（K）以上可分辨。這種方法對于理解電池的內部機理、評估電池的質量以及提高電池的安全性具有重要價值。

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二、Nano CT 在鋰電行業中的應用

電池材料內部結構分析

鋰電池的性能在很大程度上取決于電極材料的內部結構。Nano CT 技術能夠提供電極材料的高分辨率三維圖像，使研究人員能夠詳細觀察材料的孔隙率、顆粒大小、形狀和分布。這些參數對于理解電池的充放電行為、鋰離子的插入/脫出動力學以及電極反應的均勻性至關重要。

• 顆粒形態與分布：檢測正極材料（如LiNiMnCoO?）顆粒的形態、大小分布及顆粒間的接觸狀態，為優化材料制備工藝提供依據。

• 孔隙分布：分析負極石墨的孔隙率及其均勻性，這與電解液的浸潤性密切相關，從而影響充放電效率。

• 顆粒裂紋與破損：通過高分辨三維成像，捕捉循環過程中的顆粒裂紋及分布，為提升循環壽命提供設計思路。

圖1使用 Neoscan N90 高分辨納米CT 以 580nm 體素尺寸掃描鋰電池，內部結構得以清晰展示。

圖2 使用 Neoscan N70 通用型顯微CT 掃描 18650 型電池（長度70毫米），內部結構得以清晰展示。

圖3 使用 nano ct 以 480nm 體素尺寸掃描石墨負極，（a) 來自斷層掃描序列的單個切片。 (b) 300個獨立的斷層掃描切片的渲染圖（尺寸為43 × 348 × 144微米）。圖片來源于文獻【1】

電解質與界面研究

固態電池的界面特性直接影響離子傳輸效率和界面穩定性，Nano CT 可以揭示這一界面的微觀結構，包括固體電解質界面（SEI）層的形成和演變。

• 固態電解質界面觀察：檢測固態電解質與電極的接觸質量，分析界面缺陷（如孔洞、縫隙）的形成機制。

• 界面演變監測：在多次循環后，通過無損成像對界面變化進行追蹤，為優化電池界面穩定性提供依據。

• 析鋰現象研究：準確捕捉鋰金屬負極表面析鋰的分布及形態，為防止枝晶生長提供指導。

電池失效分析

隨著使用時間的增加，鋰電池會經歷老化過程，導致性能下降。Nano CT 可以用于分析老化電池的內部結構變化，如電極材料的裂紋、顆粒的破碎和電極層的剝離。這些信息對于理解電池的失效機制和開發延長電池壽命的策略至關重要。

• 內部短路檢測：在電池失效后，檢測內部可能存在的短路位置及其形成機制。

• 熱失控機理研究：通過捕捉電池熱失控前后的內部變化，幫助開發更高安全性的電池設計。

• 循環壽命影響因素：分析長循環后正負極材料的變化，如電極脫落、顆粒破損或體積膨脹。

圖4 G1C 軟包電池在化成后但循環前的 X 射線計算機斷層掃描橫截面。放大視圖以高分辨率拍攝（體素大小為 8.5μm）。右圖表示橫截面（電池底部）的高度。圖片來源于文獻【2】

圖5 進行壽命測試（未進行壓縮）后，軟包電池頂部、中部和底部的 X 射線計算機斷層掃描橫截面。膨脹在圖所示的頂部和中間橫截面中清晰可見（參見袋和電極層堆棧之間的暗區）。圖片來源于文獻【2】 

電池制造工藝優化

Nano CT 技術不僅在電池材料的研究中發揮作用，還可以用于電池設計和制造過程的優化。通過對電池組件進行高分辨率成像，研究人員可以評估電池設計的有效性，檢測制造過程中的缺陷，并提出改進措施。

• 涂層均勻性檢測：評估正負極材料涂層的厚度及均勻性，確保生產一致性。

• 集流體與涂層結合狀態：分析集流體（如鋁箔）與電極材料之間的結合強度與缺陷分布。

• 缺陷檢測：識別制造過程中產生的微小孔洞、裂紋及顆粒分離等隱性缺陷，降低電池失效風險。

三、總結 

Nano-CT 技術為鋰電池行業提供了獨特的微觀視角，從材料研發到工藝優化，再到失效分析，其應用覆蓋了整個電池生命周期。隨著技術的不斷進步和與其他手段的協同發展，Nano-CT 將進一步加速鋰電池領域的創新步伐，為推動綠色能源革命注入新的動力。

參考文獻

【1】Characterization of the 3-dimensional microstructure of a graphite negative electrode from a Li-ion battery, Electrochemistry Communications 12(2010)374-377 

【2】Electrical Characterization and Micro X-ray ComputedTomography Analysis of Next-Generation Silicon AlloyLithium-Ion Cells, World Electric Vehic Journal, 2018, 9, 43;