軟包電池內(nèi)部空間動(dòng)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(dòng)態(tài)原位表征！這個(gè)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(dòng)力學(xué)的角度分析軟包裝鋰電池內(nèi)部的力學(xué)和化學(xué)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(jī)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(xué)和電化學(xué)動(dòng)態(tài)變化的常用原位無損檢測(cè)技術(shù)，但該設(shè)備價(jià)格昂貴，無法廣泛應(yīng)用。

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

5、因此，開發(fā)一種新的廉價(jià)、簡(jiǎn)單、無損的檢測(cè)技術(shù)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)軟包裝鋰電池在循環(huán)過程中的物理化學(xué)變化，具有重要的市場(chǎng)前景。

6、[工作介紹]

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

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

9、2.它可以用來檢測(cè)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(dòng)力學(xué)。

11、這篇文章發(fā)表在頂級(jí)國(guó)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(dāng)電池以C/2充電和放電時(shí)，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(duì)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(shí)間-振幅曲線，可以獲得圖1c中的微分振幅曲線，其對(duì)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(xué)掃描的四種模型：(a)時(shí)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(shí)間的變化。

18、(b) ToF代表聲波通過電池的時(shí)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(duì)頻率-振幅曲線進(jìn)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(qiáng)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?yàn)槭姌O在鋰化后體積會(huì)膨脹~10%，電池的模量會(huì)增加3倍，因此聲波的傳輸距離會(huì)加長(zhǎng)，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(qiáng)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(duì)以2C速率循環(huán)的電池進(jìn)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(gè)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(dāng)充電截止電壓為4.2V時(shí)，前四個(gè)循環(huán)中的聲波振幅強(qiáng)度分布相對(duì)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(huì)導(dǎo)致不同程度的鋰析出。

30、當(dāng)充電截止電位達(dá)到4.5V(圖3c)或4.8V(圖3d)時(shí)，電極處的永久性鋰析出更加嚴(yán)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(shí)降低，在靜置期間振幅強(qiáng)度再次增加。

32、這說明在40下，4C高速充電0.1小時(shí)，不會(huì)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(qiáng)度信號(hào)分布，即使在快充模式下，依然能檢測(cè)出電池特定部位的析鋰或產(chǎn)氣變化。

36、圖三檢測(cè)了容量為400 mAh的LCO/石墨軟包電池的振幅強(qiáng)度變化，在首圈1C恒流充電到4.5V時(shí)，振幅強(qiáng)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(qiáng)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(shí)之后，軟包電池的大部分區(qū)域發(fā)生了信號(hào)衰減，這是由于長(zhǎng)時(shí)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(qiáng)度圖像 （C） 首圈的微分振幅曲線與成像分析（紅色為正值，藍(lán)色為負(fù)值）（d） 第十圈相對(duì)于第一圈出現(xiàn)了較大的變化。

聲波掃描技術(shù)可以進(jìn)一步理解軟包電池的電化學(xué)-力學(xué)耦合行為。

42、dV/dQ曲線的峰值對(duì)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(duì)微分電壓和微分振幅信號(hào)進(jìn)行校正，可以對(duì)電化學(xué)-力學(xué)耦合行為進(jìn)行經(jīng)驗(yàn)測(cè)量。

44、快速充電條件下一系列的相變反應(yīng)同時(shí)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(shí)，圖5a的微分電壓和圖5c的微分振幅曲線顯示有三至四個(gè)主要的峰位，對(duì)應(yīng)于石墨電極的相變。

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

47、而且出現(xiàn)的額外特征峰，對(duì)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(qiáng)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(qiáng)度曲線。

進(jìn)一步對(duì)無負(fù)極鋰金屬軟包電池和大尺寸商用軟包電池進(jìn)行了2D原位聲學(xué)掃描。

52、無鋰負(fù)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(xué)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(kù)倫效率較低的電解液體系（1M LiPF6 EC:EMC + 2% VC）進(jìn)行表征，在第二圈充電時(shí)聲波振幅強(qiáng)度發(fā)生了明顯減弱，而且頻率比時(shí)間在振幅強(qiáng)度的分析上更加敏感，對(duì)電池潤(rùn)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(qiáng)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(qiáng)度逐漸減?。╞）頻率掃描分析說明了電池可能存在的不均勻潤(rùn)濕性。

【結(jié)論】

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

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(xué)信號(hào)和電極相變聯(lián)系起來，比之前的相關(guān)研究進(jìn)了一大步。

3. 頻率和時(shí)間掃描分析在揭示電池變化中起到相互補(bǔ)充的作用。

4. 原位聲學(xué)掃描可以對(duì)不同尺寸的鋰離子電池或者無負(fù)極鋰金屬電池進(jìn)行掃描分析。

審核編輯 ：李倩

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