随着电动汽车的普及，电池的老化和失效成为了影响车辆性能和安全的关键因素。为了确保电池的可靠性和安全性，需要对电池进行深入分析和检测。
蔡司工业CT X射线显微镜作为一种无损检测技术，可以提供高分辨率的3D体积数据集，帮助我们更好地了解电池内部的结构和缺陷。
采用蔡司工业CT对新电池和老化电池进行对比分析，确定循环后的结果变化。X射线CT成像表明，有机残留物和沉积物是老化电池负极孔隙率降低的主要原因。
在正极一侧观察到颗粒粉碎和集流体腐蚀现象。以上现象，可能是导致电池容量降低和阻抗增加的原因。锂离子分布的量化分析表明，电池容量衰减归因于可循环锂的损失，这部分损失的锂富集在负极的表面。
SEM分别对应：左边，新负极；中间，老化负极；右边，含AI颗粒的老化负极。上图显示负极结构随时间的变化。左图可见新石墨负极的形貌，颗粒边缘清晰可见。右图显示石墨边缘变得模糊，表面有覆盖层。此外，用EDX检测到老化负极表面存在AI颗粒。
蔡司工业CT ZEISS METROTOM 1500的创新技术X射线CT图像。在右侧，图片被彩色标记，以可视化电极的不同部分。在样品外部和孔隙内部，可以识别出相同的灰度。此外，这些区域的像素特征具有可比性。这就导致了对孔隙和样本上方区域的分割。然而，为了便于可视化，我们对这两组进行了不同的着色。
在电极上方的空间（蓝色标记）和电极之间，可以识别出额外的一层，我们称之为“覆盖层”。具有相同对比外观的区域也存在于电极的孔隙结构中。 结果是分为五组：橙色标记为颗粒，红色标记为孔隙，蓝色标记为样品外部区域，绿色标记为覆盖层，青色标记为背景。
在电极顶部以及颗粒之间可以看到绿色覆盖层。与新电极的图片相比，老化电池的图片中覆盖层的数量明显增加。 值得注意的是孔隙结构内覆盖层分布不均匀。有些地区没有任何沉积，而另一些地区则完全被覆盖层所包围。
阴极形态的检查
对于阴极，使用与阳极相同的方法来可视化电极的表面结构。在图6中，可以看到新阴极和老化阴极的SEM照片。
阴极结构的原始花椰菜状形态和苔藓结构可以被检测到。形态也随时间变化。裂纹在颗粒内部变得可见。颗粒本身可以通过EDX检测为NMC颗粒。
在X射线CT图像中识别阴极结构的变化。X射线CT测量显示块状活性材料和集电极的结构变化。
在ZEISS METROTOM 1500图像中，颗粒被着色以便可视化。由于NMC颗粒的强烈反射，在上图中无法区分活性材料的其他成分和颗粒之间的苔藓结构。因此，阴极的孔隙率不能从阳极样品中所描述的CT图像中计算出阴极的孔隙率。
X射线CT图像提供了孔隙度以外的更多信息，因为颗粒随着时间的变化而变化。在初始阶段，NMC颗粒具有近似圆形和相当均匀的表面形貌。在老化状态下，颗粒出现裂纹并破碎成更小的单元。
上图显示了活性物质层厚度的变化。新电极的厚度为139μm，旧电极的厚度为158μm。图左侧的集电极在新电极和旧电极的图像中厚度相同。这一发现揭示了颗粒结构的变化对电极高度的影响。
蔡司工业CT还可以对电池的安全性进行评估。例如，通过扫描电池的外壳，可以检测到外壳的孔隙和损伤，这些损伤可能会导致电池的安全性降低。同时，蔡司工业CT还可以检测到电池内部的金属颗粒和杂质，这些颗粒和杂质可能会引起电池内部的短路或降低电池的性能。
蔡司工业CT X射线显微镜在汽车锂电池老化的分析和检测方面具有广泛的应用前景。它可以帮助我们更好地了解电池的性能和安全性，为电动汽车的发展提供重要的技术支持。
本文数据来自：”Rahe, C., Kelly, S. T., Rad, M. N., Sauer, D. U., Mayer, J., & Figgemeier, E. (2019). Nanoscale X-ray imaging of ageing in automotive lithium ion battery cells. Journal of power sources, 433, 126631.”
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