Segmentation and computational analysis of 3D porous microstructures in Li-ion cells

Media type: E-Book

Title: Segmentation and computational analysis of 3D porous microstructures in Li-ion cells

Contributor: Moroni, Riko [Author]; Pastewka, Lars [Degree supervisor]; Thiele, Simon [Degree supervisor]

Corporation: Albert-Ludwigs-Universität Freiburg, Fakultät für Angewandte Wissenschaften

Published: Freiburg: Universität, 2021

Extent: Online-Ressource

Language: English

DOI: 10.6094/UNIFR/176128

Identifier:

Keywords: Cells ; Lithium ; Plating ; Tomografie ; Segmentierung ; Lithium-Ionen-Akkumulator ; Lithium-Plating ; Rekonstruktion ; Dreidimensionale Computergrafik ; Mikroskopie ; Bildverarbeitung ; (local)doctoralThesis

Origination:

University thesis: Dissertation, Universität Freiburg, 2020

Footnote:

Description: Abstract: This thesis shows how tomographic methods can be used to analyze three-dimensional microstructures in lithium-ion batteries. Besides the qualitative, visual examination, approaches for segmentation and subsequent quantitative analysis of such tomographic reconstructions are shown. The possibilities of tomography-based microstructure analysis are presented and extended by means of three studies: 1. An internal short circuit through the separator of a lithium-ion battery was reconstructed using X-ray tomography. The development of the short circuit and the destruction of the separator can be retraced by means of this reconstruction. Further computer-aided analysis of the data allows visualization of the spatial distribution of the resulting lithium microstructures. In addition, the electrochemical inertness of these microstructures is shown by comparison to charge and discharge data. 2. Using correlative tomography, a lithium-ion battery composite cathode was investigated over several spatial orders of magnitude. In addition to X-ray tomography, a combination of focused ion beam and scanning electron microscope (FIB/SEM) was used. X-ray tomography enabled to image more than 500 μm × 250 μm of the sample at full layer thickness with a pixel size of 0.438 μm. In contrast, FIB/SEM tomography made it possible to reconstruct a smaller volume of about 28.5 μm × 24.1 μm × 10.5 μm with a resolution of 33.6 nm. Since both datasets show the same part of the sample, the comparison of both reconstructions is used to evaluate the conventional way of segmenting such samples. Furthermore, the first segmentation of an X-ray tomography reconstruction of such a sample into active material, carbon/binder domain and pore space is presented. This allows to show that the pore space of the electrode exhibits a bimodal size distribution. 3. An algorithm for the segmentation of FIB/SEM tomography reconstructions of porous materials is presented. This algorithm is based on the estimation of the optical flow between successive images in the reconstruction. After introduction, the algorithm is evaluated on the basis of already existing, manually segmented reconstructions

Abstract: In dieser Arbeit wird gezeigt, wie tomographische Methoden dazu genutzt werden können, dreidimensionale Mikrostrukturen in Lithium-Ionen Batterien zu analysieren. Neben der qualitativen, visuellen Untersuchung stehen dabei die Methoden zur Segmentierung und die quantitative Analyse solcher tomographischer Rekonstruktionen im Vordergrund. Diese tomographiebasierten Untersuchungsmöglichkeiten werden anhand von drei Studien aufgezeigt und erweitert: 1. Ein interner Kurzschluss durch den Separator einer Lithium-Ionen-Batterie wurde mittels Röntgentomographie rekonstruiert. Die Entwicklung des Kurzschlusses und die Zerstörungen am Separator können anhand dieser Rekonstruktion nachvollzogen werden. Die weitere computergestützte Analyse der Rekonstruktion erlaubt es, die räumliche Verteilung von entstandenen Lithiummikrostrukturen darzustellen. Darüber hinaus kann die elektrochemische Inertheit dieser Mikrostrukturen durch den Vergleich mit Zyklisierungsdaten gezeigt werden. 2. Mittels korrelativer Tomographie wurde eine Kompositelektrode einer Lithium-Ionen-Batterie über mehrere räumliche Größenordnungen hinweg untersucht. Dabei wurde neben der Röntgentomographie auch eine Kombination aus fokussiertem Ionenstrahl und Rasterelektronenmikroskop (FIB/SEM) eingesetzt. Während mittels Röntgentomographie mehr als 500 μm × 250 μm der Probe über die gesamte Schichtdicke mit einer Pixelgröße von 0.438 μm aufgelöst werden konnten, war es durch FIB/SEM-Tomographie möglich, ein kleineres Volumen von etwa 28.5 μm × 24.1 μm × 10.5 μm mit einer Auflösung von 33.6 nm zu rekonstruieren. Da beide Datensätze denselben Teil der Probe zeigen, wird der Vergleich beider Rekonstruktionen dazu genutzt, die herkömmliche Art und Weise der Segmentierung solcher Proben zu evaluieren. Darüber hinaus wird die erstmalige Segmentierung der Röntgentomographierekonstruktion einer solchen Probe in Aktivmaterial, Kohlenstoff/Binder-Phase und Porenraum präsentiert. Diese erlaubt es zu zeigen, dass der Porenraum der Elektrode eine bimodale Größenverteilung aufweist. 3. Ein Algorithmus für die Segmentierung von FIB/SEM-Rekonstruktionen poröser Materialien wird vorgestellt. Dieser Algorithmus beruht auf der Abschätzung des optischen Flusses zwischen aufeinanderfolgenden Bildern in der Rekonstruktion. Anhand von bereits vorliegenden, händisch segmentierten Rekonstruktionen wird dieser Algorithmus evaluiert

Access State: Open Access

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