Applications such as electric vehicles (EVs) and grid storage are driving market growth in battery technology. But several important materials challenges need to be overcome before next-generation batteries become standard in these areas.
Matériaux énergétiques

Imagerie de batterie multi-échelle

Des applications telles que les véhicules électriques (VE) et le stockage en réseau stimulent la croissance du marché de la technologie des batteries. Plusieurs défis importants en termes de matériaux doivent toutefois être surmontés avant que les batteries de nouvelle génération ne deviennent la norme dans ces domaines. Par exemple, la sécurité est particulièrement préoccupante en raison de l'inflammabilité de certains électrolytes et de la forte activité des cellules de batterie dans les véhicules électriques et les appareils électroniques portables.  

Optimiser une batterie, c'est comprendre sa structure à plusieurs échelles

Les futures recherches sur les batteries se concentreront sur l'amélioration de la densité de puissance grâce à de nouvelles conceptions d'électrodes. La microstructure de ces électrodes joue un rôle essentiel dans les performances telles que l'autonomie et la capacité de charge des véhicules électriques. L'évolution de l'électrode dans le temps détermine sa stabilité à vie. Le développement de dendrites et la fissuration peuvent provoquer des courts-circuits, entraînant une défaillance prématurée ou catastrophique d'une batterie. Les défauts importants, tels que les particules étrangères et les dendrites, soulignent l'importance du contrôle de la qualité en matière de sécurité.

Pour optimiser les performances d'une application spécifique et éviter une défaillance prématurée, vous devez examiner la batterie à plusieurs échelles : la composition, la structure du réseau cristallin et la microstructure des différents matériaux. Cette démarche inclut également l'observation de l'électrode et de l'encapsulation qui permettent de comprendre l'intégrité globale et l'enveloppe de la cellule. Pour obtenir des résultats les plus précis, vous devez réaliser cette analyse multi-échelle in situ sans endommager votre échantillon.

L'imagerie non destructive des électrodes de la batterie est déterminante

Si l'imagerie non destructive d'une cellule de batterie est nécessaire à ces différentes échelles, elle ne doit pas compromettre la structure. Cette procédure est complexe car les batteries sont sensibles à l'air et le traitement rend l'analyse difficile du fait des méthodes compliquées de préparation des échantillons. Ces dernières peuvent inclure la coupe ou l'ouverture, le démontage et le montage.

Les solutions de microscopie ZEISS permettent de résoudre ces défis de recherche urgents dans le domaine de la technologie de batterie. La microscopie à rayons X non destructive pour l'analyse de la batterie est essentielle pour étudier vos échantillons à différentes échelles de longueur sans compromettre l'intégrité ou la structure de la batterie. En d'autres termes, vous pouvez capturer des images à haute résolution sans exposer les composants sensibles à l'air. Vous pouvez obtenir des informations essentielles sur les changements de durée de vie de la batterie, les modes de défaillance et les défauts grâce l'imagerie in situ et conserver la batterie pour une analyse ultérieure dans le cadre de processus corrélatifs et multi-échelles.

Votre prochaine étape

ZEISS propose une gamme complète et corrélative qui permet de capturer des images de manière non destructive à différentes échelles de longueur en 2D, 3D et 4D.

Vidéo didactique

  • Imagerie non destructive haute résolution de batteries par microscopie à rayons X

Images de l'application

  • Images de coupe transversale de batterie lithium-ion provenant de plusieurs sources

    Images de coupe transversale de batterie lithium-ion provenant de plusieurs sources (microscopie optique, électronique) affichée dans l'interface du logiciel ZEN Connect à des fins de consultation, d'inspection et d'analyse.

  • Image d'un détail d'une batterie lithium-ion capturée avec Axio Zoom.V16 pour les matériaux, champ d'observation 1,6 mm. Accumulateur lithium ion, 112x, champ clair.

  • Scans XRM d'une batterie Li-ion 18650 intacte.

    Scans XRM d'une batterie Li-ion 18650 intacte. La tomographie interne révèle des détails remarquables de la structure au niveau de l'électrode, y compris les effets de vieillissement, les particules étrangères et les fissures. Xradia 620 Versa, champ d'observation 14 mm.

  • Rendu 3D d'une batterie lithium-ion 18650 intacte à l'aide du microscope à rayons X Xradia Versa (barre d'échelle 5 mm).

  • Batterie de montre intelligente : ZEISS Xradia 620 Versa scanne la batterie intacte pour identifier les zones d'intérêt et effectuer un zoom avant pour une imagerie haute résolution.

  • Imagerie par nanotomographie à rayons X 3D et simulation numérique de matériaux pour cartographier les comportements de diffusion

    Imagerie par nanotomographie à rayons X 3D et simulation numérique de matériaux pour cartographier les comportements de diffusion dans une cathode de batterie lithium-ion NMC. Image collectée à l'aide du microscope à rayons X à l'échelle nanométrique Xradia 810 Ultra. Données analysées à l'aide du module d'analyse de batterie de GeoDict by Math2Market, GmbH. Le volume analysé présenté est 40 µm x 40 µm x 65 µm.

  • Rendus 3D des particules d'électrodes (à gauche) et du réseau de pores (à droite)

    Rendus 3D des particules d'électrodes (à gauche) et du réseau de pores (à droite), montrant l'espace poreux connecté (bleu) par rapport à la porosité isolée (jaune). La porosité totale connectée a été mesurée à 13,9 %, par rapport à une porosité totale de 14,4 %. Image réalisée avec le microscope à rayons X Xradia Ultra.

Coupe transversale d'une batterie lithium-ion contenant une cathode NCM
Coupe transversale d'une batterie lithium-ion contenant une cathode NCM

Coupe transversale d'une batterie lithium-ion contenant une cathode NCM

Séparateur revêtu de céramique et anode en graphite et silicium capturée à 1 kV

Le signal Inlens EsB (à droite) comparé au signal Inlens SE (à gauche) offre un contraste de matériau supplémentaire entre le graphite et le silicium et révèle le revêtement en céramique des deux côtés du séparateur polymère.


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Téléchargements

    • 4D Study of Silicon Anode Volumetric Changes in a Coin Cell Battery using X-ray Microscopy

      1 MB
    • Integrated SEM and Raman Imaging of Lithium Ion Batteries

      2 MB
    • Multi-scale Characterization of Lithium Ion Battery Cathode Material by Correlative X-ray and FIB-SEM Microscopy

      1 MB
    • Quality Control of Large-Sized Prismatic Rechargeable Lithium-Ion Batteries Using Light Microscopy

      ZEISS Axio Imager.Z2 Vario

      1 MB
    • ZEISS ZEN Intellesis

      Quantitative Microstructural Analysis of State-of-the-art Lithium-ion Battery Cathodes

      1 MB