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亚博网站下载和挑战。
What is Zeiss’ background in materials sciences? How does this background benefit Zeiss’ clients?
ZEISS is working with scientists at the forefront of materials research in a variety of application fields. For example, in lithium ion battery research ZEISS is collaborating with researchers to understand and exploit unique material properties across length scales in order to help build the new, cleaner energy future.
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。亚博网站下载亚博老虎机网登录
什么是锂离子电池，为什么如此重要？
锂离子电池被认为是储能技术的重大突破。根据欧盟计划和全球电池路线图，锂离子电池有望至少直到2020年代末成为领先的储能系统。
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。
电子和锂离子运输在充电过程中由外部施加的电势以及放电期间的反应驱动。
The battery consists of an anode-cathode, a separator, and respective current collectors for the electrodes. The electron and Li-ion conducting pathways within the electrodes are strongly governed by the electrode microstructure.
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？
When it comes to energy storage, Li-ion batteries can be improved in terms of their capacity, cycling stability, safety, and charging rates.
基于SI的阳极如何在电池开发中发挥作用？
silicon can play a major role in the development of batteries; for instance, it can be used as an active material in the anode embedded in a graphite and carbon binder matrix, forming a porous composite electrode.
此外，导电剂（例如碳黑色或碳纳米管）分布在碳粘合剂结构域中，以证明足够的电导率。
SI是下一代锂离子电池中实用应用的最有希望的高容量材料之一。亚博网站下载它在其他材料方面也有几个优势。亚博网站下载例如，它具有理论上的特定能力（李15si4具有3578 mAh/g的372 mAh/g大约十倍372 mAh/g），这是低成本的，它是无毒的。
图片来源：Shutterstock/Petrmlinak
使用基于SI的阳极有哪些挑战？
在使用基于SI的阳极方面，一个巨大的挑战涉及大量的挥杆，这意味着在电化学循环过程中，高容量的材料会经历体积扩张和收缩。
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？
锂离子电池的出色性能不仅与电化学特性有关，而且与电极材料的微结构或形态有关。
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。
对阳极材料中结构 - 特性关系的调查如何有助于这一点？亚博网站下载
As already mentioned, the performance of the battery is strongly linked to the underlying microstructure of the anode. In general, material properties are correlated with the microstructure or morphology of the material in question. Thus, controlling the material architecture means controlling the material properties.
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。
图片来源：shutterstock/black_kira
How can 2D and 3D characterization on different length scales be used to investigate the structure and chemical element distribution of anodes?
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。
Why is the development of machine learning-based image analysis workflows important?
A comprehensive analysis of the microstructure is essential in order to gain statistically relevant information. However, this requires the generation of a huge amount of image data.
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。
手动标记非常主观且劳动力密集，并且通常使用的常规算法在应用于问题的应用中可能非常狭窄。它也不能自动化，也无法处理大数据。监督的AI工作流程结合了卷积神经网络之类的东西，在这种情况下为新的可能性提供了新的可能性，因此对于加速数据处理至关重要。
How can neural networks be used to predict microstructure, and why is this a necessary process?
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。
在有效，客观和准确区分电极微结构中发现的不同材料相之间，此类网络非常适合。
Once the model is sufficiently trained, automation of the segmentation process is feasible.
可以使用哪些结构参数来评估？
In principle, the CNN can be used to distinguish between different phases that are present within the electrode (e.g., anode microstructure). Once an accurate and validated segmentation is performed, the phases can then be quantified with respect to their Vol% and analyzed to gain information about the tortuosity, connectivity, or ability to form networks, etc.
Examples of such phases in the anode are the Si-phase, the graphite-phase, the carbon binder domain-phase, and the pore-phase. Such phases can also be associated with induced damaging sites upon electrochemical cycling, like delamination, cracks, dendrites, etc.
哪些方法用于研究其他结构参数，例如孔隙率，孔径分布和曲折？
We use different methods within the lab like FIB-SEM-nano-tomography, X-Ray tomography, but also neutron tomography or synchrotron tomography at large-scale research facilities like ESRF or ILL to investigate the microstructure on different length scales.
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。
这些信息如何回到生产中以影响制造过程？
分析和收集的微观结构参数/特征与电化学性质相关，例如它们在循环时的容量行为。根据发现，提出了改进的建议，例如使用不同的材料配置，过程参数或工具。
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。
How are workflows tailored to be used in cooperation with Zeiss based on Microscopy methods?
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。亚博网站下载
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。亚博网站下载蔡司有机会开发改进的设备。app亚博体育通过共同努力，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app亚博体育的容量。
致谢
我们感谢Horizon 2020研究与创新计划的欧盟（EU）的财政支持（授予协议号875514“ ECO2lib”，部分是由Mobilitätderder Zukunft下的DieÖsterreichischeforschungsgesellschaft（FFG）。编号891479“ OPMOSI”。
基于老化的纳米结构的复合阳极的多尺度量化和建模|通信化学（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亚博网站下载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。
他在Montanuniversitaet Leoben（MUL）的半导体/材料物理学中做过博士学位。在他于2012年加入MCL之前担任关键研究员之前，他在MUL担任大学助理和日本东京大学的研究物理学家。2014年，他获得了自己的教师文档，并被任命为私人。杜斯。用于MUL的材料科学。亚博老虎机网登录格拉斯大学还在自然科学医生学院掌握了他。亚博老虎机网登录
This information has been sourced, reviewed and adapted from materials provided by Carl Zeiss Microscopy GmbH.
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