先进成像技术在电池研究中的应用潘弘毅，王碧童，孙毓健，焦思晨，李泉，禹习谦，李泓中国科学院物理研究所2024.8.9湖先进储能技术研究院天目天目湖先进储能技术研究院究院天目湖先进储能技术研究提升电池能量密度是锂电池研发的主要趋势创新材料体系推动电池技术革命电动汽车应用主流电动车市场规模储能消费电子国家安全工业节能高安全长循环长寿命高功率耐宽温耐低温低成本2电动航空长途交通运输移动机器人国家安全湖先进储能技术研究院天目LCO/graphiteLCO/Coke天目湖先进储能技术研究院究院天目湖先进储能技术研究电化学性能质量/体积能量密度质量/体积功率密度低温能量保持率高温循环/储存稳定性任意工况下能量效率循环寿命/日历寿命高温循环/储存稳定性安全性能材料精细化设计与组合创新满足不同场景对电池的需求机械性能消费电子电池600-750Wh/L1-5C高电压钴酸锂正极高容量三元正极人造石墨负极纳米硅碳负极高镍、中镍三元正极磷酸铁锂正极锰酸锂正极人造石墨负极纳米硅碳负极人造石墨负极纳米硅碳负极钛酸锂负极单晶三元正极磷酸铁锂正极人造石墨负极钛酸锂负极功能电解液陶瓷涂层隔膜导电添加剂粘接剂功能添加剂Cu箔Al箔铝塑膜、铝壳、钢壳导热带能量型动力电池240-360Wh/kg600-1000km续航1-2C800-1500次180-240Wh/kg500-600km续航4-6C功率型动力电池>12000次；>25年<0.5元/Wh中镍三元正极磷酸铁锂正极尖晶石锰酸锂正极长寿命储能电池电池辅助材料现有电池技术不能跨界应用湖先进储能技术研究院天目天目湖先进储能技术研究院究院天目湖先进储能技术研究体积膨胀收缩率膨胀力抗变形能力成本3体积膨胀SEI过渡生长锂枝晶生长集流体腐蚀/溶解电解液分解/失效导电剂失效隔膜老化/失效粘接剂失效（漂移）循环周期高温环境低温环境过充电过放电工作条件大电流挤压穿刺短路电极反接活性颗粒裂纹破碎过渡金属溶出活性材料相变活性材料结构变化容量衰减寿命衰减内阻增加电压降低内短路产气倍率性能差热失控自放电析锂失效现象由材料、设计、使用工况等引起的复杂的电池4失效电池性能的复杂失效模式湖先进储能技术研究院天目天目湖先进储能技术研究院究院天目湖先进储能技术研究5高比能电池及材料失效结构特征与表征方法孔隙/迂曲度厚度分布熔化卷曲跨层/层内内部孔隙枝晶形貌TM吸收谱衍射衬度连通度隔膜侧孔隙厚度差异/曲率颗粒损伤分布表面粗糙度宏观形貌气液衬度差异综合因素AESTEMAFMTXM-XANESToF-SIMSRaman微米CT超声成像工业CTSEM纳米CT中子CT红外热成像容量衰减枝晶生长结构相变接触劣化异质损伤隔膜变形CC腐蚀CC破碎表征方法电解液干涸容量损失机械损伤表界面衬度屈曲/接触表面结构/物相裂纹体积/分布脱附孔隙涂层位置异常亮度湖先进储能技术研究院天目研究对象失效行为结构特征正极材料体积膨胀负极材料SEI积累颗粒裂纹集流体CC缺陷CC脱附隔膜表面CEI隔膜穿刺电极厚度膨胀涂层剥落电芯短路/断路热失控电极极化颗粒粉化物质体积天目湖先进储能技术研究院宏观究院天目湖先进储能技术研究微观飞行时间二次离子质谱中科院物理所基于成像技术的实验条件微米X射线断层成像纳米X射线断层成像原子力显微镜红外热成像透射电子显微镜双束扫描电子显微镜扫描电子显微镜Raman光谱成像技术视场范围极限分辨率损伤/原位样品尺寸特性中子成像超声成像红外成像微米CT纳米CTSEMFIB-SEMRamanAFMTOF-SIMSTEMXANESCDIXRF10-2-1m10-2-1m10-2-1m10-4-10-1m16~65μm10-5-10-2m10-5-10-2m10-4-10-2m10-9–10-5m~100μm10-8–10-510-5-10-4~20μm~0.1mm~0.1mm>0.5μm>16nm~1nm~1nm~0.5μm~1nm~50nm~0.1nm~10nm~10nm~10nm无损/原位无损/原位无损/原位无损/原位无损/原位有损/原位有损/原位有损/原位有损/原位有损/非原位有损/原位无损/原极片-电芯极片-电芯极片-电芯极片-电芯颗粒-极片颗粒-极片颗粒-极片颗粒-极片颗粒-极片颗粒-极片颗粒颗粒-极片颗粒颗粒-极片高穿透/轻元素气液分辨能力温度分布三维结构高分辨三维表界面形貌易加工/高分辨成分/结构近表面力/电特征三维成分检测原子级分辨TM价态分布衍射结构成像素成分分布同步辐射与中子技术6湖先进储能技术研究院天目天目湖先进储能技术研究院究院...