北理工教授在鋰離子電池析鋰檢測方面取得重要研究進(jìn)展

發(fā)布日期：2022-09-02 供稿：前沿交叉科學(xué)研究院

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近日，北京理工大學(xué)前沿交叉科學(xué)研究院黃佳琦教授課題組在鋰離子電池析鋰檢測技術(shù)方面取得重要研究進(jìn)展，相關(guān)成果以“Operando Quantified Lithium Plating Determination Enabled by Dynamic Capacitance Measurement in Working Li-Ion Batteries”為題發(fā)表在化學(xué)類頂級國際期刊《Angewandte Chemie International Edition》（《德國應(yīng)用化學(xué)》，影響因子16.823）。本文的通訊作者為北京理工大學(xué)黃佳琦教授，清華大學(xué)張強(qiáng)教授，第一作者為北京理工大學(xué)前沿交叉科學(xué)研究院/材料學(xué)院博士研究生徐磊。

鋰離子電池運(yùn)行過程中發(fā)生的負(fù)極析鋰現(xiàn)象不僅會(huì)導(dǎo)致活性物質(zhì)流失、界面阻抗增大、電池容量衰減等問題，還會(huì)誘發(fā)產(chǎn)熱，造成電池?zé)崾Э亍Ｒ蚨邆鋵?shí)時(shí)、原位、高靈敏度等特點(diǎn)的析鋰檢測方法對于研究析鋰行為和提高電池安全性具有重要意義。

在近年來的研究中，一些表征手段如原位核磁、高能XRD等可以實(shí)現(xiàn)原位析鋰檢測，但是通常需要特殊的電池構(gòu)型或者額外的檢測設(shè)備。基于電化學(xué)信號的電學(xué)檢測通常較為簡易且不受電池構(gòu)型影響，但是一般具有滯后性，不具備指認(rèn)析鋰初始節(jié)點(diǎn)的能力。

北京理工大學(xué)前沿交叉院黃佳琦教授團(tuán)隊(duì)利用三電極技術(shù)解耦了鋰嵌入和鋰析出過程中負(fù)極表面的阻抗演變規(guī)律，研究了鋰離子電池負(fù)極表面電容與活性表面之間關(guān)聯(lián)關(guān)系，提出了一種基于單頻率阻抗測量的動(dòng)態(tài)電容測試方法，實(shí)現(xiàn)了對工作狀態(tài)下負(fù)極表面析鋰的監(jiān)測和預(yù)警（圖1）。

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圖1. 動(dòng)態(tài)電容析鋰檢測方法的檢測原理和檢測效果示意。

采用三電極阻抗方法對鋰離子電池石墨負(fù)極鋰嵌入和鋰析出過程中的阻抗變化進(jìn)行了原位監(jiān)測。通過等效電路的建立，提出了基于單頻率阻抗方法的表面電容測量技術(shù)。在析鋰起始節(jié)點(diǎn)，枝晶狀鋰金屬的產(chǎn)生了新的電極/電解液界面，增大了表面電容（圖2）。

圖2. 三電極技術(shù)用于研究石墨負(fù)極表面雙電層電容的演變規(guī)律。

表面電容和沉積形貌之間的關(guān)聯(lián)在模型體系Li-Cu電池中進(jìn)行深入研究，表面電容與活性表面積的線性相關(guān)性得以揭示，為析鋰檢測的定量化提供了依據(jù)（圖3）。

圖3. 模型體系驗(yàn)證表面電容行為與活性表面積的關(guān)聯(lián)關(guān)系，通過動(dòng)態(tài)電容方法實(shí)現(xiàn)析鋰初始節(jié)點(diǎn)的指認(rèn)。

通過合理地選擇特征頻率，使得全電池中負(fù)極的電容信號免于正極信號的干擾，從而實(shí)現(xiàn)了動(dòng)態(tài)電容方法在兩電極電池中的應(yīng)用（圖4）。

圖4. 兩電極電池中的方法應(yīng)用。

動(dòng)態(tài)電容析鋰檢測方法也在商業(yè)化軟包電池中進(jìn)行了驗(yàn)證，電池充電過程中鋰金屬的析出和生長以及放電過程中的活性鋰金屬再嵌入過程均得到指認(rèn)，說明了該方法具有很大的實(shí)用化潛力。

論文詳情：Lei Xu, Ye Xiao, Yi Yang, Shi-Jie Yang, Xiao-Ru Chen, Rui Xu, Yu-Xing Yao, Wen-Long Cai, Chong Yan, Jia-Qi Huang*, Qiang Zhang*. Operando Quantified Lithium Plating Determination Enabled by Dynamic Capacitance Measurement in Working Li-Ion Batteries, Angewandte Chemie International Edition, 2022, e202210365.

鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/anie.202210365

附作者簡介：

黃佳琦，北京理工大學(xué)前沿交叉科學(xué)研究院教授，博士生導(dǎo)師，九三學(xué)社社員。主要開展能源界面化學(xué)研究。發(fā)表SCI論文200余篇，其中60余篇為ESI高被引論文，h因子95。擔(dān)任中國顆粒學(xué)會(huì)青年理事會(huì)理事，J. Energy Chem.、InfoMat編委，Chin. Chem. Lett.、Green Energy Environ.、Energy Mater. Adv.青年編委。曾獲評2016年中國化工學(xué)會(huì)侯德榜化工科技青年獎(jiǎng)，2018年中國顆粒學(xué)會(huì)青年顆粒學(xué)獎(jiǎng)，2020年北京市杰出青年科學(xué)基金等；2018–2021年連續(xù)入選科睿唯安全球高被引科學(xué)家。

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