北理工教授在鋰離子電池析鋰檢測方面取得重要研究進展
發布日期：2022-09-02 供稿：前沿交叉科學研究院
編輯：朱倩云 審核：唐水源 閱讀次數：近日，北京理工大學前沿交叉科學研究院黃佳琦教授課題組在鋰離子電池析鋰檢測技術方面取得重要研究進展，相關成果以“Operando Quantified Lithium Plating Determination Enabled by Dynamic Capacitance Measurement in Working Li-Ion Batteries”為題發表在化學類頂級國際期刊《Angewandte Chemie International Edition》（《德國應用化學》，影響因子16.823）。本文的通訊作者為北京理工大學黃佳琦教授，清華大學張強教授，第一作者為北京理工大學前沿交叉科學研究院/材料學院博士研究生徐磊。
鋰離子電池運行過程中發生的負極析鋰現象不僅會導致活性物質流失、界面阻抗增大、電池容量衰減等問題，還會誘發產熱，造成電池熱失控。因而，具備實時、原位、高靈敏度等特點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等可以實現原位析鋰檢測，但是通常需要特殊的電池構型或者額外的檢測設備。基于電化學信號的電學檢測通常較為簡易且不受電池構型影響，但是一般具有滯后性，不具備指認析鋰初始節點的能力。
北京理工大學前沿交叉院黃佳琦教授團隊利用三電極技術解耦了鋰嵌入和鋰析出過程中負極表面的阻抗演變規律，研究了鋰離子電池負極表面電容與活性表面之間關聯關系，提出了一種基于單頻率阻抗測量的動態電容測試方法，實現了對工作狀態下負極表面析鋰的監測和預警（圖1）。
圖1. 動態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極鋰嵌入和鋰析出過程中的阻抗變化進行了原位監測。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。在析鋰起始節點，枝晶狀鋰金屬的產生了新的電極/電解液界面，增大了表面電容（圖2）。
圖2. 三電極技術用于研究石墨負極表面雙電層電容的演變規律。
表面電容和沉積形貌之間的關聯在模型體系Li-Cu電池中進行深入研究，表面電容與活性表面積的線性相關性得以揭示，為析鋰檢測的定量化提供了依據（圖3）。
圖3. 模型體系驗證表面電容行為與活性表面積的關聯關系，通過動態電容方法實現析鋰初始節點的指認。
通過合理地選擇特征頻率，使得全電池中負極的電容信號免于正極信號的干擾，從而實現了動態電容方法在兩電極電池中的應用（圖4）。
圖4. 兩電極電池中的方法應用。
動態電容析鋰檢測方法也在商業化軟包電池中進行了驗證，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，說明了該方法具有很大的實用化潛力。
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，北京理工大學前沿交叉科學研究院教授，博士生導師，九三學社社員。主要開展能源界面化學研究。發表SCI論文200余篇，其中60余篇為ESI高被引論文，h因子95。擔任中國顆粒學會青年理事會理事，J. Energy Chem.、InfoMat編委，Chin. Chem. Lett.、Green Energy Environ.、Energy Mater. Adv.青年編委。曾獲評2016年中國化工學會侯德榜化工科技青年獎，2018年中國顆粒學會青年顆粒學獎，2020年北京市杰出青年科學基金等；2018–2021年連續入選科睿唯安全球高被引科學家。
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