Enhanced Image Segmentation Method Based on FIB-SEM Tomography for the Improved 3D Reconstruction of Battery Cathode

Abstract

구조 설계부터 성능 및 신뢰성 평가에 이르기까지 이차 전지 개발에는 막대한 인력과 자본 투자가 필요하다. 이 때문에 많은 연구 그룹에서 실험과 함께 다양한 배터리 시뮬레이션 연구를 진행하고 있다. 전극의 미세 구조는 전해액 함침 등과 연결되어 전극의 성능에 영향을 미치게 된다. 따라서 전극의 미세 구조를 파악하는 것은 배터리의 성능을 파악함에 있어 중요하다. 본 연구에서는 FIB-SEM 과 Nano-CT를 이용하여 전극의 미세구조를 촬영한다. 촬영된 FIB-SEM 및 Nano-CT 이미지를 사용하여 전극의 3차원 구조를 생성한 뒤 전산 시뮬레이션을 통해 물성을 도출할 수 있다. FIB-SEM은 상대적으로 높은 분해능을 가지므로 미세 기공 식별에 이점이 있다. 그러나 FIB-SEM이용 시 이미지 분할 과정에서 활물질의 일부가 기공으로 인식되는 문제가 존재한다. 본 논문에서는 GeoDict와 MATLAB을 이용한 FIB-SEM 이미지 필터링을 통해 기존의 방법보다 활물질과 공극의 분리를 더 명확하게 진행하여 기존의 방법에서 기공으로 인식되었던 활물질의 영역을 감소시켰다. 이를 통하여 FIB-SEM 단층촬영 기반의 배터리 양극의 재구성을 개선할 수 있다.|From structural design to performance and reliability evaluation, developing secondary battery requires considerable amount of manpower and capital investment. To compensate for this, many research groups are using various battery simulation techniques along with experiments. The microstructure of the electrode is connected to the electrolyte impregnation and affects the performance of the electrode. Therefore, it is important to understand the microstructure of the electrode to understand the performance of the battery. In this study, microstructures of electrodes are obtained using FIB-SEM and Nano-CT. After reconstructing the three-dimensional structure of the electrode using FIB-SEM and Nano-CT images, the properties can be derived through computational simulations. FIB-SEM has the advantage for micropore identification because it has a relatively high resolution. However, the problem is some parts of the active material is recognized as pores during image segmentation when using FIB-SEM. To solve this, in this paper, FIB-SEM image filtering using Geodict and MATLAB made the separation between the active material. Through this method, the regions of active materials which were recognized as pores in the conventional method were reduced. Through this, the reconstruction of the battery cathode based on FIB-SEM tomography can be improved.