吉阳智能：图像分析计算锂电池极片的孔隙迂曲度

来源丨锂想生活

导读

孔隙率和迂曲度对电极中的锂离子电导率和电解液扩散有重要影响。

锂离子电池极片涂层可看成一种复合材料，主要由三部分组成：

(1)活性物质颗粒；

(2)导电剂和黏结剂相互混合的组成相(碳胶相)；

(3)孔隙，填满电解液。

孔隙率和迂曲度对电极中的锂离子电导率和电解液扩散有重要影响，多孔电极中液相的传导和扩散能力除与电解液本征特性(电导率κ、扩散系数D和锂离子迁移数t+0)有关外，还受电极中的多孔结构影响，常用孔隙率ε与迂曲度τ计算。

（1）

（2）

迂曲度τ与多孔网络的结构相关，包括活性颗粒的性质、粒径分布等。常用Bmggeman关系式表示，α为Bruggeman指数，孔隙率ε与迂曲度τ关系的一般形式如下：

（3）

一般地，常常设定γ=1来校正α值，均匀多孔电极α=1.5。而实际上，电极往往不是均匀的，存在各向异性，迂曲度也比理论值更高。

孔隙迂曲度越大，锂离子传输路径越长，电池倍率性能越差。特别对于厚电极，低迂曲度是电极结构设计的关键原则。因此，本文主要介绍一款开源软件代码及其操作步骤，通过分析电极表面和截面两张照片中活性物质颗粒的取向分布来估算电极在三个方向上的迂曲度。理论基础和原理可参见文献，这里主要图示操作过程。

参考文献：Ebner M , Wood V . Tool for Tortuosity Estimation in Lithium Ion Battery Porous Electrodes[J]. Journal of the Electrochemical Society, 2014, 162(2):A3064-A3070.

首先，需要在电脑安装软件Wolfram Mathmatica，本开源代码在该软件中运行。本文下载了代码，将代码保存成了CDF文件，不想安装软件，可以下载CDF文件播放器，也可以运行该CDF文件，计算迂曲度指数。

操作步骤如下：

1、启动软件

2、打开迂曲度指数估算代码文件

3、下拉到如下图所示位置，包含操作菜单，然后计算初始化

初始化后，各个界面截图如下：

4、加载极片表面照片（Top view）

5、标定表面照片中的活性物质颗粒轮廓

6、加载极片截面照片（Cross view）

7、标定截面照片中的活性物质颗粒轮廓

8、点击Fit按钮，计算标定颗粒的a，b，c三轴特征和颗粒取向角度

9、点击Calculate按钮，计算XYZ三个方向的迂曲度指数aX，aY，aZ

球形NMC正极，片状石墨负极，菱形LCO正极估算结果如下：

电池充放电过程中，锂离子传输的方向实际是z轴方向，将该软件估算的z轴方向迂曲度指数输入锂离子电池仿真计算中，就可以模拟电池性能，这样计算结果与实际更接近，还可以建立电池孔结构特征与电池性能之间的关系。