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鋰金屬負(fù)極在軟包電池中是如何工作的?

時(shí)間:2019-08-31 13:17來(lái)源:新能源Leader 作者:綜合報(bào)道
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       隨著鋰離子電池能量密度的不斷提高,傳統(tǒng)的石墨材料(理論比容量372mAh/g)已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)無(wú)法滿(mǎn)足新一代高比能電池的設(shè)計(jì)需求,Si材料雖然比容量高,但是嵌鋰過(guò)程中體積膨脹大,導(dǎo)致循環(huán)壽命較差,而金屬Li材料理論比容量達(dá)3860mAh/g,并且具有優(yōu)異的導(dǎo)電性,是一種理想的負(fù)極材料。
 
       但是金屬鋰材料在充放電過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生Li枝晶,不但會(huì)導(dǎo)致庫(kù)倫效率降低,嚴(yán)重的情況下甚至?xí)檀└裟�,�?dǎo)致正負(fù)極短路,導(dǎo)致金屬鋰負(fù)極難以應(yīng)用。近日,清華大學(xué)的Peng Shi(第一作者)和Qiang Zhang(通訊作者)對(duì)鋰金屬負(fù)極在軟包電池中不同循環(huán)條件下的失效機(jī)理進(jìn)行了驗(yàn)證。
 
       傳統(tǒng)的對(duì)于鋰金屬負(fù)極的研究主要是在扣式電池中進(jìn)行的,因此金屬鋰受到一定的壓力作用,而在軟包電池中金屬Li片完全不受任何約束力,因此在扣式電池中得到的數(shù)據(jù)并不能直接應(yīng)用在軟包電池之中。因此實(shí)驗(yàn)中作者制備了對(duì)稱(chēng)式結(jié)構(gòu)的Li/Li軟包電池,電極面積28cm2,Li片厚度50um,面容量密度為10mAh/cm2,以盡量模擬實(shí)際使用中的Li金屬電池。
 
       循環(huán)測(cè)試分別以3.0mA/cm2和3.0mAh/cm2,7.0mA/cm2和7.0mAh/cm2,10.0mA/cm2和10.0mAh/cm2的制度進(jìn)行循環(huán),以3.0mA/cm2和3.0mAh/cm2制度循環(huán)的電池測(cè)試結(jié)果如下圖a所示,我們可以看到在循環(huán)中電池的極化電壓逐漸增加,表明Li+的擴(kuò)散阻抗越來(lái)越大,這一過(guò)程主要受到金屬Li電極不斷的粉化和死鋰的產(chǎn)生有關(guān)。
 
       如果我們將電流密度提高(7.0mA/cm2和7.0mAh/cm2),我們能夠看到電池的循環(huán)壽命大幅縮短,而如果我們進(jìn)一步將電流密度提升(10.0mA/cm2和10.0mAh/cm2),則電池進(jìn)行幾次循環(huán)后就轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋(gè)規(guī)律的方波電壓圖形,這主要是因?yàn)樵谌绱舜蟮碾娏髅芏认陆饘貺i電極表面生成的Li枝晶穿破隔膜,使得正負(fù)極短路,從而讓電池轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋(gè)純電阻,因此我們能夠看到電池在此時(shí)的極化只有20mV左右。
       Li電極在不同電流密度下的形貌變化能夠更好的反應(yīng)不同電流密度下金屬Li電極的失效機(jī)理,對(duì)于3mA/cm2的電流密度,在循環(huán)1次后金屬Li負(fù)極表面沒(méi)有顯著的變化,在循環(huán)5次后能夠明顯的觀察到明顯的死Li的存在,在循環(huán)25次后Li電極表面已經(jīng)覆蓋了一層厚度為55um的死Li,在解剖電池的時(shí)候也能夠觀察到部分死Li粘在隔膜上,在經(jīng)過(guò)50次循環(huán)后電極就已經(jīng)完全粉化,死Li層的厚度更是達(dá)到了95um。
 
       如果我們將電流密度提高到了7mA/cm2則會(huì)發(fā)現(xiàn)Li電極的粉化現(xiàn)象將更為嚴(yán)重,僅僅經(jīng)過(guò)5個(gè)循環(huán)后Li電極的形貌就相當(dāng)于3mA/cm2循環(huán)25次后的電極,并且掃描電鏡也顯示在大電流密度下循環(huán)后的電極內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生更多的孔隙,而循環(huán)10次后,Li電極表面的死Li層的厚度就達(dá)到了70um。
 
       如果我們將電流密度進(jìn)一步提高到10mA/cm2,則Li電極會(huì)呈現(xiàn)出完全不同的形貌,Li電極大部分保留了下來(lái),但是能夠觀察到很粗的Li枝晶,隔膜上也沒(méi)有粘死Li,但是我們能夠在隔膜上觀察到直徑達(dá)到10um的孔洞,這表明大電流循環(huán)下電池的反常特性是因?yàn)楦裟け籐i枝晶刺穿引起短路導(dǎo)致的。
       根據(jù)Li電極在不同電流密度下的行為特點(diǎn),作者將Li電極的失效機(jī)理分為了三個(gè)區(qū)間:1)極化;2)過(guò)渡;3)短路。在極化區(qū)間內(nèi),電流密度很�。�<4mA/cm2,4mAh/cm2),Li逐漸被消耗,并逐漸形成多孔的死Li層,因此在極化范圍內(nèi),Li電極的失效主要是由于Li電極的粉化和死Li的生成。
 
       在短路區(qū)間內(nèi),由于大電流造成的Li枝晶刺穿隔膜是主要的失效機(jī)理,這主要與面容量密度有關(guān),例如在10mAh/cm2的面密度下,一旦電流超過(guò)3mA/cm2,短路將成為主要的失效機(jī)理。
 
       在極化和短路區(qū)間之間還存在一個(gè)過(guò)渡區(qū),在這一區(qū)間內(nèi)死Li并不是唯一引起Li電極失效的機(jī)理,在這一區(qū)間內(nèi)大電流密度和大容量密度導(dǎo)致的Li枝晶引起正負(fù)極短路也是導(dǎo)致Li電極失效的原因之一。
       不同電流密度導(dǎo)致Li電極衰降機(jī)理的差異主要是因?yàn)長(zhǎng)i金屬在與電解液接觸的界面會(huì)生成一層SEI膜從而導(dǎo)致Li+的擴(kuò)散阻抗增加,在小電流密度下驅(qū)動(dòng)力較小,因此會(huì)優(yōu)先將剛剛沉積的金屬Li分解,因此Li電極體相部分形貌仍然保持了平整,但是在大電流密度下會(huì)產(chǎn)生更大的驅(qū)動(dòng)力,因此體相中的Li與剛沉積的Li之間驅(qū)動(dòng)力差別比較小,因此會(huì)導(dǎo)致消耗更多的體相Li,因而消耗更少的沉積Li,從而導(dǎo)致死Li的產(chǎn)生。
 
       除了電流密度的影響外,面容量密度也對(duì)金屬Li電極的循環(huán)性能有顯著的影響,沉積Li的直徑在3mAh/cm2時(shí)為5um,在9mAh/cm2的密度下就會(huì)增加到10um,在3mAh/cm2的密度下沉積Li的厚度為75um,在7mAh/cm2的面密度下就增加到了120um。金屬Li電極在不同電流密度和容量面密度的條件下的三種衰降機(jī)理如下圖所示。
 
       從三個(gè)區(qū)域的電流和容量邊界條件能夠看到在短路區(qū)間內(nèi),Li電極的容量面密度的影響至關(guān)重要,大的容量面密度會(huì)更容易導(dǎo)致Li枝晶的生長(zhǎng),刺穿隔膜引起正負(fù)極短路,而在極化曲線(xiàn)和過(guò)渡區(qū)間內(nèi)則電流影響更大,大電流會(huì)更容易產(chǎn)生死Li和造成電極粉化。
       Peng Shi的工作表明金屬Li電極在軟包電池中的行為特性不同于有約束力的扣式電池,在軟包電池中Li金屬負(fù)極的失效主要存在3個(gè)區(qū)間:1)極化區(qū)間;2)過(guò)渡區(qū)間;3)短路區(qū)間,而電流密度和面容量密度這兩個(gè)參數(shù)是三個(gè)區(qū)間的主要邊界條件,通過(guò)選擇合適的邊界條件能夠控制Li電極獲得更好的循環(huán)性能,并減少短路的風(fēng)險(xiǎn)。
 
(責(zé)任編輯:子蕊)
文章標(biāo)簽: 軟包電池 鋰金屬負(fù)極
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