本文档属于类型b，是一篇关于X射线断层扫描（X-ray tomography）在锂离子电池（lithium-ion batteries, LIBs）研究和开发中应用的评论文章。作者为Vanessa Wood，来自ETH Zürich（苏黎世联邦理工学院）的信息技术与电气工程系，文章于2018年9月发表在《Nature Reviews Materials》期刊上。文章的主题是探讨X射线断层扫描技术如何通过非破坏性的三维成像方法，推动锂离子电池的研究与开发。
1. X射线断层扫描技术在锂离子电池研究中的重要性
随着对锂离子电池能量密度、充放电速率、寿命和安全性的要求不断提高，电池行业正在深入研究限制电池性能和导致电池退化的因素，并探索如何通过材料、电池设计和制造的改进来提升电池技术。X射线断层扫描技术能够穿透锂离子电池的金属和塑料外壳及其内部材料，实现非破坏性的三维成像，从而揭示电池内部的结构和动态过程。特别是在同步辐射设施中，高光子通量和快速探测器技术使得在电池运行期间观察化学和结构变化成为可能。这种技术不仅能够量化电池结构，还能为电池建模提供准确的几何输入，观察电化学、机械和热效应之间的相互作用，并可视化电池的退化现象。这些信息对于验证锂离子电池的运行机制和制定系统改进的设计策略至关重要。
2. X射线断层扫描在电池结构可视化中的应用
X射线断层扫描已成为锂离子电池结构可视化和量化的首选工具。电池的结构对其性能有着直接影响，例如材料的体积填充影响电池的能量密度，活性材料的内部结构和电极孔隙空间的几何形状影响电池的速率性能。在电池级别（即体积约为立方厘米）的X射线断层扫描重建中，可以检查电池的宏观设计参数和缺陷，如阳极、阴极和隔膜的厚度及其排列和填充情况。这些重建结果可用于电化学、热和机械模拟。此外，对多孔电极（约1立方毫米）和小电极样品（小于100立方微米）的三维重建，可用于研究电极微观结构对锂传输的影响，以及跟踪碳黑和粘结剂域与活性颗粒的粘附情况。尽管X射线断层扫描理论上可以捕捉电池中所有相关的结构长度尺度，但高空间分辨率的设置通常视野有限，因为探测器尺寸有限，且为了实现定量重建，样品的整个宽度必须在所有投影角度下包含在投影图像中。
3. X射线断层扫描在电池动态和退化研究中的应用
由于其非破坏性特性，X射线断层扫描非常适合研究电池的动态和退化过程。在电池充电过程中，锂从阴极的活性颗粒通过电解质填充的孔隙空间进入阳极的活性颗粒，而电子则通过外部电路从阴极移动到阳极。X射线断层扫描分析显示，随着锂的进出，活性颗粒会膨胀和收缩，导致颗粒和电极中的压缩应力、变形和断裂。这些机械效应的大小和分布取决于材料、电极结构和电池设计。此外，电池在寿命期间会因多种现象而失去容量并失效，这些现象可以通过X射线断层扫描进行跟踪，包括机械或结构现象（如颗粒断裂或组件分层）、电化学现象（如固体电解质界面层的形成、锂沉积和活性材料化学成分的变化）以及热现象。通过操作实验（operando experiment），可以在电池运行期间实时观察这些动态和退化过程。操作实验涉及在电池运行期间进行一系列时间性的三维重建，并使用数字体积相关（digital volume correlation）技术来映射重建之间的位移和应变。然而，小尺度效应的观察仍然具有挑战性，因为高分辨率通常需要更长的采集时间，并且制造既小到足以实现定量断层扫描又具有与商业电池相当电化学性能的操作电池仍然具有难度。
4. 实验设计与数据分析的挑战
尽管X射线断层扫描在锂离子电池设计和制造中具有巨大潜力，但提取定量信息并非易事。获取定量信息需要精心设计的实验和后处理（如分割和识别不同组件和特征）方法。事实上，提取的结构参数误差不仅来自重建质量，还来自分割过程本身。大多数锂离子电池的断层扫描重建依赖于衰减对比（attenuation contrast），其中灰度值代表样品中不同材料的衰减系数。成功分割需要电池中不同组件之间有足够的对比度。例如，石墨颗粒和碳酸盐电解质之间的衰减差异（强烈依赖于原子序数）很小，这使得在操作实验中检查碳阳极变得困难。因此，在所谓的相位对比断层扫描（phase-contrast tomography）中重建相位信息（或同时使用衰减和相位信息）对于许多低原子序数材料（如石墨和锂）非常有用。然而，由于电池由许多相组成，通常需要使用选择性染色剂或孔隙空间填充剂。尽管这些方法通常不适用于原位或操作实验，但它们可以提供详细的结构信息，并支持离体（ex situ）退化研究，其中循环电极的样品被提取、染色和/或填充，随后进行分析。
5. X射线断层扫描在电池行业中的未来前景
两大趋势表明X射线断层扫描在改进锂离子电池的开发中将发挥重要作用。首先，从材料制造商到汽车公司的锂离子电池价值链中的主要参与者正在积极开发和投资电池模拟工具，以提高对电池性能的理解并推动材料、电池和电池组的设计。为了获得有意义的结果，这些模拟工具需要详细的锂离子电池三维结构知识。其次，实验室X射线断层扫描系统的最新进展使得X射线断层扫描从仅在大规模设施中可用的工具转变为价格点与其他分析显微镜工具相似的工具。这使得电池行业能够在其研发中心投资X射线断层扫描，并在未来通过自动数据处理和计算机视觉的进步，将X射线断层扫描用于过程和质量控制。此外，X射线断层扫描的一个重要但尚未被充分认识的特征是，它允许对锂离子电池中的结构不均匀性进行快速统计分析。这些信息对于理解锂离子电池退化和失效的起源至关重要，这些失效可能由全局操作参数以及局部统计失效（由于不均匀性）引起。通过建立样品制备协议、自动化实验室X射线断层扫描系统以实现快速样品处理、开发强大的数据分析例程以及详细理解特定结构特征对电池性能的影响，X射线断层扫描将不仅能够量化结构，还能预测电池寿命。随着汽车和电网存储应用对长寿命电池的需求，准确预测电池寿命和降低电池失效率的能力将为锂离子电池行业的各个部门（从化学公司到终端设备制造商）带来巨大价值。
6. X射线断层扫描技术的新进展
随着X射线断层扫描在电池行业中的地位逐渐稳固，新的研究突出了X射线断层扫描技术的进步，如层析成像（ptychographic tomography）或X射线吸收光谱断层扫描（即多能量断层扫描），这些技术能够增强我们对电池复杂和动态内部生活的可视化、量化、理解和建模能力。
本文系统地介绍了X射线断层扫描技术在锂离子电池研究和开发中的应用，展示了其在电池结构可视化、动态过程观察、退化机制分析以及未来电池设计和制造中的巨大潜力。通过非破坏性的三维成像，X射线断层扫描不仅能够提供电池内部结构的详细信息，还能在电池运行期间实时观察其动态变化，为电池性能的改进和寿命的延长提供了重要的技术手段。此外，文章还探讨了实验设计与数据分析的挑战，并展望了X射线断层扫描技术在电池行业中的未来前景，特别是其在电池模拟工具和自动化质量控制中的应用。这些内容为电池研究和开发人员提供了宝贵的参考，推动了X射线断层扫描技术在电池领域的广泛应用。