ACS Energy Letters 用鋰/鋰對電池來無損研究鋰離子電池過度充放電時的短路

【引言】

隨著新一代的電子產品，如手機，平板和筆記本電腦和電動汽車對能量的要求越來越高，越來越多的科學家開始著手研究高容量、高倍率充放電的高性能鋰離子電池。但是，隨著電極材料由傳統的正極鈷酸鋰和負極石墨轉變為比容量更高或充電電壓更高（對鋰）的正極（磷酸鐵鋰，三元鎳鈷錳氧等）和比容量更高或放電電壓更低（對鋰）的負極（硅，鋰等），電池單位容量的提升代表著電池內部存儲的化學能的上升。隨之而來的是鋰電池的安全性能顯得尤為重要。最近報道的特斯拉（Tesla）電動汽車起火和三星手機(Samsung Note 7)爆炸事件，將鋰電池的安全性能推到了一個新的高度。

傳統的測試鋰電池安全性能的標準(例如由美國先進電池聯合會或是由日本電池聯合會提出的測試方法)基本上是“post-mortem”即，電池先受到各種各樣的“abusive damage”，然后將電池打開檢查里面的形貌變化。這種檢測電池的方法的詬病是無法準確的得知電池在受到外部撞擊時內部的確切變化。來自柏林工業大學的Sun Fu和弗來堡大學的Moroni Riko（共同通訊）近日在ACS Energy Letters發表了他們最新的用同步輻射X-ray無損三維表征鋰電池短路的報道。

【成果簡介】

X-ray tomography (斷層掃描)是一種能無損的并且三維的表征樣品的手段。在此實驗中，他們制備了一個與些表征手段相配的概念鋰電池。

【圖文導讀】

圖1. 此項研究的裝置示意圖和概念電池

在此研究中，為了簡化并且使得研究對象具有代表性，研究人員使用了鋰/鋰對電極組成的電池，使用由Celgard公司生產的三層隔膜。在此項工作中，研究了兩個鋰/鋰對電池，一個是未循環的1號電池，另一個是短路的2號電池。

a 和b為概念電池，c 為裝置示意圖

圖2. 所用的隔膜，1號電池的X-ray tomography結果和2號電池的電化性能

a 隔膜的俯視圖，b 隔膜的橫切面圖，c 1號電池的橫切面圖，d 2號電池的電化學性能圖

2號電池短路后，使用x-ray tomography來研究其內部的形貌變化，具體的內部變化如圖3和圖4所示。

圖3. 2號電池內部圖

圖4.?2號電池內部示意圖

【討論+小結】

1、研究發現，在鋰離子電池充放電過程中，會有很多的鋰枝晶形成。在放電過程中，這些形成的鋰枝晶會對隔膜產生很大的破壞。

2、在接下來的循環中，這些鋰枝晶并不會被消耗掉。并且，在持續的充電過程中，會有新的鋰枝晶形成。這些新的形成的鋰枝晶會穿透已經變弱的隔膜，引起內部短路。

3、電池內部短路后，整體的充放電電池會聚集在這些“導通”正負極的枝晶上。這局域化的高強度電池引起了很大的焦爾熱。

4、過高的焦爾熱引起了一系列的副反應（如正極放出氧氣）和產生了很高的溫度。在這高溫下，有機液體電解液會被引起點燃。如果沒有合適的自我斷路裝置，整個電池就會持續燃燒，甚至爆炸。

文獻鏈接

Study of the Mechanisms of Internal Short　Circuit in a Li/Li Cell by Synchrotron X?ray　Phase Contrast Tomography（ACS Energy Lett.,?2017,?10.1021/acsenergylett.6b00589）

本文由作者團隊投稿，材料人整理編輯。

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