电池的使用同步为基础的硬X射线微断层故障分析
August 26th, 2015
该程序的总体目标是可视化模型电池的内部，该电池由两个锂金属电极组成，这些电极由聚合物电解质膜隔开。这是通过首先用溶剂浇铸聚合物电解质膜来实现的。第二步是将一块聚合物电解质夹在两个锂金属电极之间，并在密封袋中真空密封来组装样品。
接下来，对样品进行静态电流循环，直到它们因短路而失效或根据需要延长时间。最后一步是减小样品量，去除镍片，然后通过硬 X 射线显微断层扫描成像。最终，X 射线显微断层扫描成像用于显示形态变化，例如锂金属电极和聚合物电解质中的枝晶生长作为循环的函数。
与电子显微镜等现有方法相比，该技术的主要优点是，生成的图像显示了电极和电解质层的内部，揭示了使用传统成像技术隐藏的结构。在开始此过程之前，使用文本协议中引用的离子聚合合成聚苯乙烯、嵌段聚环氧乙烷、共聚物或 SEO。在阿贡手套箱中进行所有样品制备，其中水和氧气水平受到控制，溶解度保持在百万分之五以下。0.3 克无水和甲基二热释电或 NMP 聚合物，含干燥的氟化锂、甲烷磺胺或 L-I-T-F-S-I 盐。
使用 0.275 的 L-I-T-F-S-I 盐与 SEO 质量比和 13.13 的 NMP 与 SEO 质量比。这一数量的聚合物将产生足够大的膜，可以制备大约 20 个样品。将溶液放在热板上食用至 90 摄氏度，并搅拌直至聚合物溶解。
将所有聚合物和盐混合物浇铸到一块大约 15 x 15 厘米见方的镍箔上。松散地使用刮刀。用铝箔覆盖薄膜，使其在 60 摄氏度的铸板上干燥过夜。
干燥后，将薄膜从镍箔上剥下，并在 90 摄氏度的真空下进一步干燥。将所得的独立薄膜包裹在镍箔中，并将其存放在手套箱的密封盒中以备后用。使用七个直径为 16 英寸的圆形金属冲头从一卷纯度为 99.9% 的电池级锂金属箔中切出两个锂金属电极。
然后用直径半英寸的金属冲头切出一块聚合物电解质膜，将聚合物电解质膜夹在两个锂金属电极之间，然后将镍片压到电极上。将样品真空密封在由聚丙烯和尼龙衬里铝制成的密封袋中。其中一个锂电极很容易与阴极互换。
如果想研究一个满电池来执行对称电池循环。将真空密封样品放入 90 摄氏度的烘箱中，并使用电化学循环设备循环。在循环过程中加热样品，通过电解质膜达到合理的离子电导率，确保样品不接近 180 摄氏度的锂金属熔点。
将每平方厘米 0.175 毫安的电流密度通过样品 4 小时，然后休息 45 分钟。接下来，将负 0.175 毫安/平方厘米的电流密度通过样品 4 小时，然后休息 45 分钟。根据需要多次重复此循环程序。
对称电池循环后，将其放回手套箱中并从袋子中取出。使用一个 8 英寸的金属冲头切出单元真空的中心部分。将电池的中心部分密封在袋材料中，然后将其从手套箱中取出以运输到同步加速器设施。
到达光束线后，使用聚酰胺胶带将样品固定在样品台上。将金属标记大致放在样品的中心，以标记样品将围绕其旋转的位置。对齐后，将样品安装到光束线小屋的旋转台上。
对于成像，使用 20 千克电子伏特 X 射线对样品进行成像，并针对系统优化曝光时间。通过平衡扫描时间和每张图像的计数数来优化曝光时间。通过将曝光时间乘以此处收集的图像数量来估计总扫描时间。
使用 300 毫秒的曝光时间，扫描时间为 5 到 10 分钟。在每个光束时移位置开始时测量与光学透镜相关的像素尺寸，并在旋转台上将样品与检测系统对齐，使其在旋转 180 度时保持在探测器的视野中。将样品放置在尽可能靠近检测器的位置，同时确保样品在任何旋转角度都不会撞击检测器。
对齐后，执行扫描，该扫描由样品在 0 到 180 度之间旋转收集的 1025 张图像组成。在扫描过程中，会自动收集一系列明场和暗场图像。通过将样品移出视野来收集明场图像。
此外，通过在光束关闭时拍摄图像来收集暗场图像。使用这些图像对均匀照明窗台稍后响应和 CCD 相机响应的样品图像进行标准化 此处显示了锂金属聚合物电解质对称电池的代表性电流静态循环结果，以便施加每平方厘米 0.175 毫安的离子电流。循环后需要约 0.07 伏的电压。
使用硬 X 射线显微断层扫描对样本进行成像。此处显示的示意图说明了样本相对于事件的定位。当样品旋转 180 度时，会连续收集光束图像。
此处显示的 X 光照片图像是样品旋转时拍摄的数千张图像中的一个示例。X 光片中像素的亮度与通过样品该区域透射的 X 射线量成正比。此处显示的图像是重建后之前显示的样品的重建数据集的横截面切片。
可以看到图像左侧指示的锂金属枝晶等精细特征。这种锂枝晶的 3D 渲染是由一堆重建的 X 射线图像制成的。顶部和底部电极是透明的，以便人们可以看到锂枝晶的形态（以橙色显示），刺穿聚合物电解质（以浅蓝色显示）显影后。
这项技术为电化学工程领域的研究人员探索电池故障的原因铺平了道路。
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概览
本研究利用同步加速器基硬X射线微断层扫描技术，可视化锂金属电极通过固态聚合物电解质膜的电化学树枝生长。该方法允许对电池循环期间的形态变化进行详细成像。
关键研究组成部分
科学领域
- 神经科学
- 电池技术
- 电化学
背景
- 理解树枝生长对于提高电池性能至关重要。
- 固态聚合物电解质是现代电池系统的关键组件。
- 像X射线微断层扫描这样的成像技术提供了内部结构的洞察。
- 电化学循环可能导致短路等故障模式。
研究目的
- 可视化模型电池在运行过程中的内部情况。
- 评估锂金属电极的形态变化。
- 研究循环对树枝形成的影响。
使用的方法
- 聚合物电解质膜的溶剂铸造。
- 带有锂电极和聚合物电解质的电池样品组装。
- 电池样品的恒电流循环直到故障或持续一定时间。
- 使用硬X射线微断层扫描对样品进行成像。
主要结果
- 成像揭示了锂电极中显著的树枝生长。
- 观察到形态变化随循环而变化。
- 研究强调了成像在电池研究中的重要性。
- 结果为锂电池的故障机制提供了洞察。
结论
- 硬X射线微断层扫描对于研究树枝生长是有效的。
- 理解树枝形成可以导致更安全的电池设计。
- 该方法可以应用于其他电池技术进行进一步研究。
常见问题
Executive Industry Relevance
Non-destructive imaging of internal battery morphology is critical for de-risking next-generation energy storage platforms. Synchrotron-based hard X-ray microtomography enables direct visualization of failure mechanisms such as lithium dendrite growth, informing predictive models and material selection. This capability supports early-stage decision-making and portfolio triage for advanced battery technologies in biopharma device development and beyond.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Enables direct observation of morphological changes linked to failure pathways in battery prototypes.
- Supports mechanistic de-risking by revealing internal dendrite formation and propagation.
- Improves predictive confidence in material and design selection for device-integrated therapeutics.
Screening & Assay Development
- Facilitates quantitative assessment of internal structural integrity across battery samples.
- Standardizes imaging outputs for reproducible comparison of candidate materials and architectures.
- Prepares validated systems for downstream reliability and safety screening workflows.
Translational & Preclinical Research
- Aligns morphological imaging with translational device safety and performance benchmarks.
- Enables continuity from discovery-stage material evaluation to preclinical device validation.
- Supports risk-adjusted advancement of battery-enabled therapeutic platforms.
Pipeline & Workflow Integration
This imaging method integrates at the interface of discovery biology, screening, and translational device research, providing actionable insights from early material selection through preclinical validation.
- Discovery Biology: Illuminates failure mechanisms and clarifies structure-function relationships in battery components.
- Screening: Delivers reproducible, quantitative imaging outputs for comparative analysis.
- Analytics: Provides high-resolution 3D datasets for statistical evaluation of morphological changes.
- Translational Research: Bridges early discovery findings with preclinical device safety and efficacy studies.
- Enterprise Reuse: Establishes a reusable imaging platform for ongoing battery and device R&D initiatives.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Enhances predictive confidence and reduces mechanistic ambiguity in battery failure analysis.
- Operational Value: Standardizes non-destructive imaging workflows for scalable, reproducible data generation.
- Strategic Value: Informs go/no-go decisions and capital allocation for device-enabled therapeutic programs.
- Portfolio Impact: Supports risk-adjusted prioritization and advancement of battery-integrated product candidates.
Implementation Considerations
- Requires expertise in synchrotron imaging and battery material handling.
- Demands access to advanced X-ray microtomography instrumentation and analytical infrastructure.
- Necessitates rigorous cross-team standardization of sample preparation and imaging protocols.
- May require adaptation for different battery chemistries or device form factors.
- Sample throughput and facility access may limit scalability for large screening campaigns.
Biopharma FAQs
Chapters in this video
0:05
Title
1:14
Electrolyte Preparation
2:41
Lithium - Lithium Symmetric Cell Preparation & Symmetric Cell Cycling
4:10
Synchrotron Hard X-ray Microtomography Imaging
6:20
Results: X-ray Microtomography Images Showing Microstructural Changes in a Model Battery After Galvanostatic Cycling
7:46
Conclusion
