北理工教授在鋰離子電池析鋰檢測(cè)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
編輯：朱倩云 審核：唐水源 閱讀次數(shù)：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(cè)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(jí)國(guó)際期刊《Angewandte Chemie International Edition》（《德國(guó)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(guò)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(wèn)題，還會(huì)誘發(fā)產(chǎn)熱,，造成電池?zé)崾Э?。因而，具備?shí)時(shí),、原位,、高靈敏度等特點(diǎn)的析鋰檢測(cè)方法對(duì)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(lái)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(cè)，但是通常需要特殊的電池構(gòu)型或者額外的檢測(cè)設(shè)備,?；陔娀瘜W(xué)信號(hào)的電學(xué)檢測(cè)通常較為簡(jiǎn)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(guò)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(cè)量的動(dòng)態(tài)電容測(cè)試方法,，實(shí)現(xiàn)了對(duì)工作狀態(tài)下負(fù)極表面析鋰的監(jiān)測(cè)和預(yù)警（圖1）,。
圖1. 動(dòng)態(tài)電容析鋰檢測(cè)方法的檢測(cè)原理和檢測(cè)效果示意。
采用三電極阻抗方法對(duì)鋰離子電池石墨負(fù)極鋰嵌入和鋰析出過(guò)程中的阻抗變化進(jìn)行了原位監(jiān)測(cè),。通過(guò)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(cè)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(cè)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(guò)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(guò)合理地選擇特征頻率,，使得全電池中負(fù)極的電容信號(hào)免于正極信號(hào)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(cè)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(guò)程中鋰金屬的析出和生長(zhǎng)以及放電過(guò)程中的活性鋰金屬再嵌入過(guò)程均得到指認(rèn)，說(shuō)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(jiǎn)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(kāi)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(guó)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(píng)2016年中國(guó)化工學(xué)會(huì)侯德榜化工科技青年獎(jiǎng),，2018年中國(guó)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,。
分享到：