鋰電快充竟如此危險，檢測避免是關鍵，最新Nature Energy或許能找到答案！

CYM 5個月前 (02-21) 1064瀏覽

一、【導讀】

當今時代，氣候變化引發了人們對新型儲能裝置的普遍需求，如鋰離子電池（LIBs），其中電池材料和電池設計的快速創新是實現LIBs更廣應用的前提，且至少在2030年前，石墨仍然是LIBs中通用的負極材料。根據之前的研究表明，石墨電極的設計空間仍然巨大，載量、孔隙率、粒徑、粘結劑成分和電解液等參數均是影響循環壽命的關鍵因素。然而，快充條件下石墨負極析鋰已經成為限制以石墨為負極的鋰離子電池進一步提升充電速度的重要因素，其已經對鋰離子電池的安全造成了嚴重的威脅。電化學建模是理解析鋰的重要工具，可以在提高電池性能的同時，避免在石墨負極析鋰。幾十年來，基于紐扣電池數據，如電流密度、電壓、溫度和材料特性與石墨插層相關聯的模型，使得人們對析鋰有了初步的了解，但這往往依賴于有爭議的參數。

二、【成果掠影】

在此，美國加州大學伯克利分校Bryan D. McCloskey教授（通訊作者）展示了一種簡便、可行和高通量循環技術，以量化超過200個電池的不可逆鋰沉積數據。首先，作者觀測了能量密度、充電倍率、溫度和電荷狀態對鋰沉積形貌的影響，基于這些結果建立了一個基于物理的電化學模型，并為預測鋰沉積的起始電荷狀態提供了一個經驗方程。然后，作者探討了析鋰的可逆性及其與電解液設計的相關性，此舉是為了防止不可逆鋰的不斷積累。最后，本文設計了一種直接量化商業化石墨（Gr）|LiNi0.5Mn0.3Co0.2O2（NMC）電池在循環過程中的原位鋰沉積，并與在實驗上更為方便的Li|Gr電池的結果進行了對比。值得注意的是，本文通過假設和實驗結合的方式突出了電池測試數據的重要性，并以此激勵更多的研究者創新實驗方法和提升數據整理能力，從而為加速快充鋰離子電池的發展做出自己的貢獻。

相關研究成果以“High-throughput Li plating quantification for fast-charging battery design”為題發表在Nature Energy上。

三、【核心創新點】

1.本文展示了一種簡單、定量以及可訪問的循環測試方法，量化了能量密度、充電倍率、充電溫度和析鋰之間的關系，并用于完善成熟的電化學模型；

2.探索了沉積鋰在不同快速充電條件下的可逆性，并將此理解應用于限制死鋰形成的電解液和界面的開發。

四、【數據概覽】

圖1不可逆析鋰與充電倍率和電荷狀態的函數?2023 Springer Nature

（a）基于4C充電條件，不同荷電狀態（SOC）下的電壓曲線；

（b）基于圖a中測試結果，庫倫效率（CEs）在40% SOC左右明顯下降，表明不可逆沉積鋰的積累；

（c）通過從高CEs平臺中減去實際CEs（虛線），同時乘以充電容量，最終得到CIE%。

圖2不可逆的鋰沉積和基于建模的鋰沉積? 2023 Springer Nature

（a-f）分別在25℃（a，d）、35℃（b，e）和45℃（c，f）下，具有3.1?mAh?cm-2和2.1?mAh?cm-2載量的石墨在2C-6C的倍率下不可逆鋰平均值和標準偏差；

（g）對a-f中數據的模型和實驗進行初步比較；

（h）由y=0.05%與a-f中每個陰影區域的上下曲線的交點計算而出的曲線。

圖3電解液工程緩解不可逆析鋰行為? 2023 Springer Nature

（a）在1.2 M LiPF6電解液，且使用不同wt%（X）FEC（FEC:EC:EMC?wt%=X:（30-X）:70）作為添加劑，在Li|Gr電池中衡量不可逆的Li；

（b）采用過充策略，嚴格確定高倍率析鋰的可逆性；

（c）Li可逆性改變了4C條件下鋰沉積量（右），以及在20%沉積的條件下的倍率；

（d）C/20倍率下第一次石墨鋰化的差分電容曲線；

（e）30%過充時鋰沉積位置的示意圖及相關鋰沉積電流密度示意圖；

（f）根據c中的數據計算出e中的每中電解液的鋰沉積可逆性，并與相同容量和倍率的可逆性進行比較；

（g）實驗和電化學模型在所有條件下的Li沉積開始的平方和誤差。

圖4全電池測試與死鋰的評估和滴定? 2023 Springer Nature

（a）石墨|NMC532在1C條件下放電容量；

（b）具有代表性的1C充電曲線；

（c）通過容量變化和石墨SOC位移來量化鋰的損失；

（d）滴定Li（Li0和LixC6）與c中測試的所有電池的數據之和。

圖5全電池中不可逆的Li以及與半電池的比較和滴定驗證? 2023 Springer Nature

（a）通過監測間歇性的兩個周期的恒流快速充電的歸一化1C放電容量，來確定全電池中的不可逆的Li；

（b）衡量Gr||NMC中不可逆鋰的容量；

（c）從b中的Gr|NMC532電池中提取的石墨電極的滴定Li與總不可逆Li沉積之間的對比。

五、【成果啟示】

綜上所述，析鋰幾乎是電池循環過程中遇到的一個普遍的挑戰，但其檢測仍面臨著諸多困難。本文已經開發了高通量循環技術來量化在Li|Gr和Gr|NMC電池中鋰的沉積，同時大量的數據也為鋰沉積行為、電化學模型改進、電池設計、數據驅動鋰沉積模型和電解液工程策略提供了物理見解。同時，對不可逆鋰沉積曲線和起始SOC的廣泛理解將有助于量化新型電池設計或快充策略的可行性。因此，作者也希望這些技術能被學術和工業研究人員使用，并進一步研究快充條件下的鋰沉積行為。

文獻鏈接：“High-throughput Li plating quantification for fast-charging battery design”（Nature Energy，2023，10.1038/s41560-023-01194-y）

本文由材料人CYM編譯供稿。

 

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