鋰離子電池是一種高容量長壽命環(huán)保電池, 具有諸多優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于儲能、電動汽車、便攜式電子產(chǎn)品等領(lǐng)域。隨著社會的發(fā)展，各應(yīng)用領(lǐng)域，特別是電動汽車的發(fā)展，對鋰離子電池的比能量、壽命、安全性和價格提出了更高的要求。因此,我們必須更深層次地認識電池中高度復(fù)雜的電化學(xué)傳輸機制。而正負極極片的微觀結(jié)構(gòu)與電池的電化學(xué)性能密切相關(guān)，許多科學(xué)家致力于研究電極材料以及充放電機理。如果我們能夠在充放電過程中可視化微觀結(jié)構(gòu)的演變，那么，就能更好地理解電池機理，為電池設(shè)計優(yōu)化，甚至開發(fā)下一代電池提供有利依據(jù)。

計算機輔助的X射線斷層掃描(XCT)成像技術(shù)是一種高分辨率、無損傷，非破壞性的成像技術(shù)，可以定性和定量分析材料的結(jié)構(gòu)和性能。XCT已被證明可以多尺度上可視化電池各組分的微結(jié)構(gòu)演變，并作為一種有效的工具，可用于診斷電池失效機理。XCT也被用來研究鋰離子電池電極材料的微結(jié)構(gòu)特性。此外，連續(xù)的三維圖像就可以形成4D(3D+時間)分析，包括可能的原位檢測和在線檢測(例如電化學(xué)測試中XCT成像)。

瑞典隆德大學(xué)和英國倫敦大學(xué)學(xué)院的科學(xué)家們使用4D計算機輔助的X射線斷層掃描(XCT)成像技術(shù)可視化硅基電極的第一次鋰化過程 。硅基電極在鋰化過程中會出現(xiàn)劇烈的體積變化，甚至超過300%。這將導(dǎo)致電池各組件明顯地機械變形，甚至破壞失效。作者期望可視化鋰化過程，認識體積變化的機理。

DVC的分析

這項研究使用數(shù)字體積相關(guān)算法(Digital Volume Correlation，簡稱DVC)來量化電池極片和隔膜在鋰化過程中的機械變形。DVC技術(shù)是通過分析具有相關(guān)關(guān)系的兩組三維圖像，獲得物體變形過程中位移場和應(yīng)變場的計算方法，其基本原理如圖3所示。這種方法能測量出三維圖像變形前后，任意位置的采樣點的位移和應(yīng)變。

獲取不同鋰化階段的硅基電極XCT重構(gòu)三維照片11張，圖4是其中6張電極三維體積的垂直截面圖(圖4a-f)，圖5是其中3張電極三維體積的水平截面圖。圖像灰度閾值設(shè)定為13,750-18,250(16位灰度值)，這可以從圖像中看到低飽和度的金屬鋰。高密度材料，如Si，玻纖維隔膜，灰度值高，呈現(xiàn)亮色。而圖像中比硅灰度值還高的小白點可能是雜質(zhì)。

從圖4-5中可見，硅基電極鋰化過程伴隨著明顯的體積膨脹。鋰化到64.5%時，電極體積增加了3倍。隔膜的機械穩(wěn)定性有益于電池的安全和電性能。巨大的體積變化導(dǎo)致隔膜中間部位破裂，鋰化到64.5%之后不能進一步鋰化，可能就是因為電極形成了短路。

放電鋰化過程中，隔膜遭受了垂直位移和壓縮。在電池制作過程中，隔膜經(jīng)歷了不均勻的初始壓縮，中間部位壓縮大，導(dǎo)致局部鋰離子擴散受限，電極兩側(cè)部位比中間鋰化程度大。

圖4-5中也可以清晰看到鋰化過程，當鋰化發(fā)生時，Si顆粒與鋰離子反應(yīng)形成LixSi，呈現(xiàn)暗色。而細小亮點雜質(zhì)體積和灰度值都沒有變化。圖4g是電極中同一區(qū)域的灰度直方圖(考慮了電極膨脹，并排除了隔膜和金屬鋰)，初始電池的灰度出現(xiàn)兩個峰，Si顆粒呈現(xiàn)高灰度值，而低灰度值峰與電極中的導(dǎo)電劑、粘結(jié)劑和孔洞相關(guān)。灰度值不斷降低的演變也說明了鋰化過程，低灰度值化表明形成了LixSi。