克服电化学循环的挑战with Novel Material Strategies

这次访谈强调了如何通过新颖的物质策略克服电化学循环中的挑战。材料中心Leoben Forschung GmbH（MCL）的材料和破坏分析小组负责人Roland Brunner讨论了储能通常面临的应用欧洲杯足球竞彩和挑战。

蔡司在材料科学方面的背景是什么？欧洲杯足球竞彩欧洲杯线上买球这种背景如何使Zeiss的客户受益？

Zeiss正在与各种应用领域的材料研究最前沿的科学家合作。欧洲杯足球竞彩例如，在锂离子电池研究中，Zeiss正在与研究人员合作，以了解和利用长度尺度上的独特材料属性，以帮助建立新的清洁能源未来。

Zeiss是光，电子，X射线和离子显微镜的唯一制造商，涵盖了一系列长度尺度，方式和尺寸：这就是为什么领先的研究人员重视Zeiss显微镜作为其特征套件的关键部分的原因。我们一起在能源研究及其他地区建立了材料科学和工程的未来。欧洲杯足球竞彩欧洲杯线上买球

What are Li-ion batteries, and why are they so important?

Li-ion batteries are regarded as a major breakthrough in energy storage technology. Li-ion batteries are expected to be the leading energy storage system at least until late 2020's, according to the EU-SET plan and global battery roadmap.

锂离子电池是可充电电池，使用两个电极之间的锂和电子传输来存储和释放能量。

Electron and Li-ion transport are driven by externally applied electrical potential during charging, as well as by reactions during discharging.

电池由电极的阳极阴极，一个分离器和各自的电流收集器组成。电极内的电子和锂离子导电途径由电极微结构强烈控制。

图片来源：Shutterstock/ Smile Fight

这些电池的应用是什么？

应用适用于可再生能源（光伏等能源管理），电子机动性（完整的电动汽车和混合解决方案）或移动电子设备（耳机，智能手表，手机等）

如何改进这些电池以存放能量？

在储能方面，锂离子电池的容量，循环稳定性，安全性和充电率可以改善。

基于SI的阳极如何在电池开发中发挥作用？

硅可以在电池的开发中发挥重要作用。例如，它可以用作嵌入石墨和碳粘合剂矩阵中的阳极中的活性材料，形成多孔复合电极。

In addition, conducting agents, such as carbon black or carbon nanotubes, are distributed within the carbon binder domain to demonstrate sufficient electrical conductivity.

siis one of the most promising high-capacity materials for practical applications in next-generation Li-ion batteries. It also has several advantages with respect to other materials; for instance, it has a theoretical specific capacity (Li₁₅si₄with 3578 mAh/g, which is about ten times larger than conventional graphite 372 mAh/g), it is low cost to make, and it is non-toxic.

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使用基于SI的阳极有哪些挑战？

A big challenge when it comes to using Si-based anodes concerns a large volume swing, which means that the high-capacity material undergoes volumetric expansion and contraction during electrochemical cycling.

体积的变化可能高达300％，因此导致由于电气接触的损失，活动材料的破裂以及所谓的固体电解质界面的改革过程而导致容量褪色。

必须限制这些体积变化或使阳极材料由于大量摇摆而抗诱导的降解的弹性材料。

如何使用新颖的物质策略来克服这些挑战？

The excellent performance of Li-ion batteries is not only linked to the electrochemical properties but also to the microstructure or morphology of the electrode material.

因此，在提高锂离子电池的性能方面，结构范围的关系是关键要素。可以使用巧妙的材料架构设计指南来克服挑战，尤其是体积变化对电池容量的影响。

How can the investigation of the structure-property relationship in anode materials assist this?

如前所述，电池的性能与阳极的基础微观结构密切相关。通常，材料特性与所讨论材料的微观结构或形态相关。因此，控制材料体系结构意味着控制材料属性。

因此，对微观结构的理解和分析对于材料特性（例如离子传输特性或电导率等），对于为改进电池提供设计指南至关重要。

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如何使用不同长度尺度上的2D和3D表征来研究阳极的结构和化学元件分布？

在选择最合适的材料，制造过程和处理参数时，使用高级2D和3D成像方法的电极微结构的准确表示，以区分不同的材料相（分段）以及揭示统计信息，例如有关孔网的统计信息连通性或曲折（用于LI运输的高速公路），孔隙率，SI分布，不同相位的Vol％等是非常有用的。

结果，可以建立表征和处理之间的循环以改进设计准则。在检索可以转换为统计相关的量化数据的信息和知识方面，需要考虑一些要点。实验表征，获得的数据类型以及数据的分析。

为什么基于机器学习的图像分析工作流程的开发很重要？

对于获得统计相关的信息，对微观结构进行了全面分析。但是，这需要生成大量图像数据。

例如，3D成像数据集由100到1000个切片组成，这些切片中的每一个都可能包含数百万像素，需要有效，准确地处理。

Manual labeling is very subjective and highly labor intensive, and the conventional algorithm that is typically used can be very narrow in its application to a problem. It also cannot be automatized, and it is unable to treat big data. Supervised AI workflows that incorporate things like convolutional neural networks provide novel possibilities in this context and are, therefore, important for accelerated data treatment.

如何使用神经网络预测微观结构，为什么这是一个必要的过程？

神经网络的灵感来自使用神经元作为通信和信号传播的基本单元的脑体系结构的启发。

卷积神经网络（CNN）是模仿生物体系结构的一类人工神经网络。简而言之，它由输入和输出层以及所谓的隐藏图层组成。每一层中的每个神经元都连接到下一层中的所有神经元。

Such networks are highly suitable when it comes to efficiently, objectively, and accurately distinguishing between the different material phases found in the electrode microstructure.

一旦对模型进行了充分的训练，分割过程的自动化是可行的。

可以使用哪些结构参数来评估？

原则上，CNN可用于区分电极内存在的不同阶段（例如，阳极微结构）。一旦执行了准确验证的分割，就可以将阶段定量相对于其Vol％进行量化，并进行分析以获得有关曲折度，连通性或形成网络的能力的信息，等等。

阳极中此类阶段的示例是Si-phase，石墨相，碳粘合剂域相和孔隙相。此类阶段也可以与电化学循环的诱导损坏部位有关，例如分层，裂缝，树突等。

What methods are used to investigate other structural parameters, such as porosity, pore size distribution, and tortuosity?

我们在实验室中使用不同的方法，例如FIB-SEM-NANO-TOMOHRAPHON，X射线断层扫描，以及中子断层扫描或ESRF等大型研究设施的中子断层扫描或同步器断层扫描，以研究不同长度尺度上的微观结构。

为了提取结构参数，对从mm到NM的长度尺度的表征很重要。由于没有能够涵盖所有长度尺度的单一方法，因此我们必须开发包括不同方法的工作流程，以帮助用户达到最佳分辨率，视野和对比度。

How is this information fed back to production to influence the manufacturing process?

Analyzed and collected microstructure parameters/features are correlated with electrochemical properties, for instance, their capacity behavior upon cycling. Based on the findings, suggestions are made for improvement, e.g., the use of different material configurations, process parameters, or tools.

它是一种迭代工作流，将表征，研究和制造过程与行业联系起来。

如何根据显微镜方法量身定制的工作流与蔡司合作？

为了解决与SI相关的缺点，微观结构的设计非常重要。材料如何发展和控制自行车稳定性是一个重要的问题，需要回答下一代Si-Anodes的发展。因此，必须对下一代Si的阳极材料进行深层结构和化学理解，而不同的长度缩放到较低的NM优势。欧洲杯足球竞彩

在与蔡司的合作中，我们能够通过开发与能量相关的材料开发新颖的表征工作流，这些材料结合了高级图像（显微镜）方法。欧洲杯足球竞彩蔡司有机会开发改进的设备。2020欧洲杯下注官网通过共同努力，将新颖的设备，设计高级工作流并将其联系在一起，我们可以提高锂离子电池2020欧洲杯下注官网的容量。

致谢

我们感谢Horizo​​n 2020研究与创新计划的欧盟（EU）的财政支持（授予协议号875514“ ECO²LIB” and partly by Die Österreichische Forschungsgesellschaft (FFG) under Mobilität der Zukunft, Proj. No. 891479 “OpMoSi”.

Multi-scale quantification and modeling of aged nanostructured silicon-based composite anodes | Communications Chemistry (nature.com)

关于罗兰·布鲁纳

罗兰·布伦纳博士，私人。杜斯。是微电子学系内的材料中心Leoben Forsch欧洲杯足球竞彩ung GmbH（MCL）的小组负责人。自2021年以来，他担任微电子部门的副主管。他的团队专注于基于图像的材料表征和分析能量存储和微电子学。在他的小组中，开发了利用人工智能的高级成像和分析工作流程，以表征细胞和微观结构级的结构和化学特性，从2D和3D中从mm到NM。

He did is PhD in semiconductor/material physics at the Montanuniversitaet Leoben (MUL). Before he joined the MCL in 2012 as key researcher, he worked at the MUL as a University Assistant and at the University of Tokyo, Japan as a research physicist. In 2014 he obtained his facultas docendis and was appointed to priv. Doz. for material science at the MUL. He is also coopted by the University of Graz in the Doctor School of Natural Science.

此信息已从卡尔·蔡司显微镜GmbH提供的材料中采购，审查和调整。欧洲杯足球竞彩

有关此消息来源的更多信息，请访问Carl Zeiss显微镜GmbH。