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3D microstructure design of lithium-ion battery electrodes assisted by X-ray nano-computed tomography and modelling

微观结构 材料科学 曲折 电极 电池(电) 锂(药物) 多孔性 锂离子电池 离子 航程(航空) 纳米技术 复合材料 生物医学工程 化学 有机化学 功率(物理) 物理化学 内分泌学 物理 医学 量子力学
作者
Xuekun Lu,Antonio Bertei,Donal P. Finegan,Chun Tan,Sohrab R. Daemi,Julia S. Weaving,Kieran O’Regan,Thomas M. M. Heenan,Gareth Hinds,Emma Kendrick,Dan J. L. Brett,Paul R. Shearing
出处
期刊:Nature Communications [Springer Nature]
卷期号:11 (1) 被引量:379
标识
DOI:10.1038/s41467-020-15811-x
摘要

Abstract Driving range and fast charge capability of electric vehicles are heavily dependent on the 3D microstructure of lithium-ion batteries (LiBs) and substantial fundamental research is required to optimise electrode design for specific operating conditions. Here we have developed a full microstructure-resolved 3D model using a novel X-ray nano-computed tomography (CT) dual-scan superimposition technique that captures features of the carbon-binder domain. This elucidates how LiB performance is markedly affected by microstructural heterogeneities, particularly under high rate conditions. The elongated shape and wide size distribution of the active particles not only affect the lithium-ion transport but also lead to a heterogeneous current distribution and non-uniform lithiation between particles and along the through-thickness direction. Building on these insights, we propose and compare potential graded-microstructure designs for next-generation battery electrodes. To guide manufacturing of electrode architectures, in-situ X-ray CT is shown to reliably reveal the porosity and tortuosity changes with incremental calendering steps.
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