軟包電池內(nèi)部空間動態(tài)原位表征！

大家好，小科來為大家解答以上問題。軟包電池內(nèi)部空間動態(tài)原位表征！這個很多人還不知道，現(xiàn)在讓我們一起來看看吧！

1、原位表征技術(shù)可以從空間動力學的角度分析軟包裝鋰電池內(nèi)部的力學和化學變化。

2、由于商用軟包鋰電池的封閉結(jié)構(gòu)，快速充電過程中的失效機理復(fù)雜，給軟包電池的表征帶來很大困難。

3、同步X射線成像是軟包裝鋰電池內(nèi)部力學和電化學動態(tài)變化的常用原位無損檢測技術(shù)，但該設(shè)備價格昂貴，無法廣泛應(yīng)用。

4、此外，普通的聲波檢測技術(shù)只能在1D維度上掃描軟包電池，通過建立聲波-時間模型來分析軟包電池的失效機理，如鋰析出、產(chǎn)氣等。這些測試都是在化成階段或電池失效后進行的，對實時物理相變過程(如充放電過程中的石墨負相變)的研究很少。

5、因此，開發(fā)一種新的廉價、簡單、無損的檢測技術(shù)，實時監(jiān)測軟包裝鋰電池在循環(huán)過程中的物理化學變化，具有重要的市場前景。

6、[工作介紹]

7、哥倫比亞大學化學工程系的Daniel Steingart教授和普林斯頓大學機械和航空系的Wesley Chang開發(fā)了一種基于時間和頻率的原位2D聲學掃描設(shè)備，可以檢測柔性電池中的動態(tài)變化。

8、該設(shè)備的技術(shù)優(yōu)勢如下：1 .可以準確定位電池中宏觀不均勻性(如鋰金屬析出)發(fā)生的時間和地點。

9、2.它可以用來檢測任何大小的柔性電池在任何充電和放電率。

10、3.通過建立微分振幅成像模型，可以分析電極相變行為的空間動力學。

11、這篇文章發(fā)表在頂級國際雜志ACS Energy Letters上，由梅賽德斯-奔馳北美研發(fā)中心資助。d中心。

12、[圖形指南]

13、在圖1a中，當電池以C/2充電和放電時，聲波的振幅在充電過程中上升，然后在放電過程中下降。

14、對應(yīng)于圖1b中的ToF曲線，頻率在充電期間降低，在放電期間增加。

15、推導(dǎo)時間-振幅曲線，可以獲得圖1c中的微分振幅曲線，其對應(yīng)于充電和放電期間電極材料的相變。

16、圖1d中的頻率振幅分析了傅立葉變換后峰值頻率的偏移。

17、圖1聲學掃描的四種模型：(a)時間-振幅模型描述了在C/2充放電倍率下，電池組某一位置的振幅隨時間的變化。

18、(b) ToF代表聲波通過電池的時間，與電池的厚度和模數(shù)的變化有關(guān)。

19、(c)微分振幅用于描述電極的相變。這條曲線是由圖a的導(dǎo)數(shù)得到的。

20、(d)對頻率-振幅曲線進行快速傅立葉變換，在峰值頻率成像。

21、圖2顯示了以C/5的恒定電流充電和放電的400 mAh LiCoO2/石墨軟包裝電池。以0.5mm的聲波速率掃描電池，掃描面積約為32 cm2。

22、獲得的振幅強度掃描結(jié)果表明，振幅在充電期間增大，在放電期間減小。

23、這是因為石墨電極在鋰化后體積會膨脹~10%，電池的模量會增加3倍，因此聲波的傳輸距離會加長，導(dǎo)致聲波的振幅增加~150%。

24、圖2原位聲波振幅掃描：(a)400 mAh licoo 2/石墨柔性電池在C/5恒流循環(huán)下的振幅強度掃描結(jié)果。

25、為了顯示電池在快速充電過程中的內(nèi)部變化，對以2C速率循環(huán)的電池進行了聲波掃描，截止電壓分別為4.2、4.35和4.5 V。

26、掃描設(shè)備可以掃描6cm2的軟包電池，掃描速度為0.5mm，每次掃描大約需要1.5分鐘。在整個30分鐘的充電過程中，可以掃描20幅聲波的振幅圖像。

27、在圖3a中，當充電截止電壓為4.2V時，前四個循環(huán)中的聲波振幅強度分布相對均勻，表明電池內(nèi)部沒有明顯變化。

28、出現(xiàn)了不均勻的聲波振幅

29、柔性電池極耳的放置、隔膜孔的閉合、電極的邊緣效應(yīng)等導(dǎo)致電流分布不均勻的因素，都會導(dǎo)致不同程度的鋰析出。

30、當充電截止電位達到4.5V(圖3c)或4.8V(圖3d)時，電極處的永久性鋰析出更加嚴重，放電后鋰析出依然存在。

31、在40的溫度下，以4C速率循環(huán)的電池的聲波振幅在充電開始時降低，在靜置期間振幅強度再次增加。

32、這說明在40下，4C高速充電0.1小時，不會引起脹氣或鋰沉淀引起的永久性聲波振幅衰減。

圖三 不同充放電倍率下的聲波掃描：（a） 2C充電截止電位為4.2V， （b） 4.35 V， （C） 4.5 V， 放電倍率均為C/2，放電截止電位為2.7 V。

34、（d） 4C充電到4.8V，并保持20分鐘。

此工作中的快速2D掃描技術(shù)可以觀察軟包電池宏觀平面上的聲波振幅強度信號分布，即使在快充模式下，依然能檢測出電池特定部位的析鋰或產(chǎn)氣變化。

36、圖三檢測了容量為400 mAh的LCO/石墨軟包電池的振幅強度變化，在首圈1C恒流充電到4.5V時，振幅強度增加了1.5倍，并在隨后的C/2放電過程中慢慢降低。

37、極耳附近的振幅強度發(fā)生的明顯衰減，這是由極耳附近的應(yīng)力和電壓梯度不均勻?qū)е碌匿囄龀鲆鸬摹?/p>

38、循環(huán)40小時之后，軟包電池的大部分區(qū)域發(fā)生了信號衰減，這是由于長時間循環(huán)之后電池內(nèi)部的產(chǎn)氣量逐漸增加。

圖四 微分振幅圖像描述電極的空間相變：容量為400 mAh的LCO/石墨軟包電池在1C恒流充電到4.5V，20分鐘靜置，然后C/2放電的（a）首圈和（b）第十圈的聲波振幅強度圖像 （C） 首圈的微分振幅曲線與成像分析（紅色為正值，藍色為負值）（d） 第十圈相對于第一圈出現(xiàn)了較大的變化。

聲波掃描技術(shù)可以進一步理解軟包電池的電化學-力學耦合行為。

42、dV/dQ曲線的峰值對應(yīng)于電池循環(huán)過程中電極材料的相變過程，微分振幅分析將相變過程變得空間可視化。

43、通過對微分電壓和微分振幅信號進行校正，可以對電化學-力學耦合行為進行經(jīng)驗測量。

44、快速充電條件下一系列的相變反應(yīng)同時發(fā)生，導(dǎo)致特征峰變寬，鋰化過程發(fā)生在石墨電極的表面而非內(nèi)部。

45、從C/5增大到1C時，圖5a的微分電壓和圖5c的微分振幅曲線顯示有三至四個主要的峰位，對應(yīng)于石墨電極的相變。

46、在高于2C的倍率時，由于相變過程重疊和鋰化過程的減弱，特征峰變寬，強度變低。

47、而且出現(xiàn)的額外特征峰，對應(yīng)于鋰的沉積。

48、2D微分分析可以描述軟包電池在快充過程中的空間變化，隨著充放電倍率增加，微分曲線的峰變寬，強度變低。

圖五（a）不同充放電倍率下的微分電壓（dV/dQ）曲線，（b）電壓曲線， （C） 微分振幅曲線（d（Amp）/dQ）， （d） 振幅強度曲線。

進一步對無負極鋰金屬軟包電池和大尺寸商用軟包電池進行了2D原位聲學掃描。

52、無鋰負極軟包電池由于電解液的消耗，容易導(dǎo)致死鋰或產(chǎn)氣，這些界面粗糙度的變化是一種聲波的散射體，原位2D聲學掃描技術(shù)可以以此來表征電池特定部位在循環(huán)過程中的電解液消耗速率。

53、采用庫倫效率較低的電解液體系（1M LiPF6 EC:EMC + 2% VC）進行表征，在第二圈充電時聲波振幅強度發(fā)生了明顯減弱，而且頻率比時間在振幅強度的分析上更加敏感，對電池潤濕效果的辨別也更清晰。

54、電池拆解后，發(fā)現(xiàn)了大量生成的鋰枝晶，使得聲波振幅強度減弱，并且頻率也出現(xiàn)降低。

圖六（a）隨著鋰沉積的增加，聲波振幅強度逐漸減?。╞）頻率掃描分析說明了電池可能存在的不均勻潤濕性。

【結(jié)論】

該原位聲波檢測裝置可以檢測大尺寸商業(yè)軟包電池，具有以下幾點優(yōu)勢：

1. 大尺寸的軟包電池（6 cm2）可以在2分鐘內(nèi)掃描完畢，并且在高倍率充電狀態(tài)下依然保持較高的精確度。

2. 微分振幅將聲學信號和電極相變聯(lián)系起來，比之前的相關(guān)研究進了一大步。

3. 頻率和時間掃描分析在揭示電池變化中起到相互補充的作用。

4. 原位聲學掃描可以對不同尺寸的鋰離子電池或者無負極鋰金屬電池進行掃描分析。

審核編輯 ：李倩

本文到此結(jié)束，希望對大家有所幫助。