安全是鋰離子電池使用時(shí)必須考慮的重要問題。然而,有關(guān)電極間隙、循環(huán)、電解質(zhì)降解或析鋰是如何影響方形電池安全性的研究很少。在本文中作者對在0℃、23℃和45℃循環(huán)的方形電池開展了系統(tǒng)研究。采用ARC技術(shù)評估了電極間隙對電池安全性的影響。研究表明對于新鮮電池,其內(nèi)部電極間隙均一。循環(huán)后電極間產(chǎn)生了明顯間隙,并且這種間隙與局部析鋰和電解質(zhì)降解緊密關(guān)聯(lián),特別是對于45℃循環(huán)的電池。然而,安全行為并不僅僅與電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)(如間隙)有關(guān),或者循環(huán)時(shí)的降解產(chǎn)物;不同溫度的老化機(jī)理起著關(guān)鍵的作用。理解全生命周期中方形電池的熱穩(wěn)定性意義重大。
實(shí)驗(yàn)采用的方形電池為2.1Ah,工作電壓范圍為2.75-4.35V,由Maxell Ltd公司生產(chǎn)。為了實(shí)現(xiàn)電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)的可視化,采用CT技術(shù)對電池進(jìn)行表征。CT技術(shù)是一種無損檢測技術(shù),不需要拆解電池。高密度材料(比如鎳極耳),在CT圖像上的顏色比低密度材料(如鋁殼和金屬氧化物正極)更亮。液體電解液和降解產(chǎn)物(包括析鋰)只吸收少量的X射線,因此表現(xiàn)黑色。CT可以用來觀察全生命周期過程中間隙和降解產(chǎn)物的演變。在循環(huán)之前、循環(huán)200次和循環(huán)500次后均對電池進(jìn)行CT表征,評估電池的內(nèi)部結(jié)構(gòu),包括間隙和降解產(chǎn)物。將電池在0℃(低溫)、25℃(室溫)和45℃(高溫)下循環(huán)。在循環(huán)前和循環(huán)后均對電池做EIS測試,EIS測試前需要對電池進(jìn)行滿充。此外,采用破壞性的物理表征手段對電池進(jìn)行觀察,以彌補(bǔ)CT檢測無法觀察到的特征,包括對電池進(jìn)行拆解,記錄正極片和負(fù)極片的狀態(tài),以及SEM和EDS表征。
ARC技術(shù)可以測量絕熱條件下化學(xué)樣品或者材料的自加熱和產(chǎn)氣速率。對于電池樣品,可以用ARC鑒定電池的起始溫度。在起始溫度以上,樣品的自加熱速率足夠驅(qū)動(dòng)電池,使電池最終發(fā)生熱失控。自加熱速率與寬溫度范圍內(nèi)的放熱反應(yīng)動(dòng)力學(xué)有關(guān)。
如圖1所示,CT掃描發(fā)現(xiàn)循環(huán)前的電池電極組中相鄰電極之間均存在間隙,但是間隙處于電池不同的位置區(qū)域。
圖1. 兩只代表性的未循環(huán)電池的CT二維截面圖。(a)電池1的俯視圖,(b)電池1的徑向視圖,(c)電池1的放大徑向視圖,(d)電池2的俯視圖,(e)電池2的徑向視圖,(f)電池2的放大徑向視圖。
如圖2所示,電極間隙會(huì)導(dǎo)致局部阻抗增大,阻礙鋰離子通過間隙區(qū)域。而電池的外部充電倍率相同,相鄰區(qū)域會(huì)出現(xiàn)局部高充電倍率,超過負(fù)極活性材料的倍率能力,導(dǎo)致在局部區(qū)域出現(xiàn)析鋰。沉積的鋰會(huì)與電解質(zhì)反應(yīng),導(dǎo)致電解質(zhì)變干,進(jìn)一步增加阻抗和導(dǎo)致析鋰。因此,取決于間隙的嚴(yán)重程度,間隙區(qū)域要么導(dǎo)致電極表面趨于電解質(zhì)分解和/或鋰沉積,產(chǎn)生無法發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)的區(qū)域(比如容量損失),或者兩者都有。產(chǎn)氣也會(huì)發(fā)生在電極間隙區(qū)域。
圖2. 電池充電時(shí)正極和負(fù)極之間的鋰離子流示意圖。(a)沒有間隙,(b)有間隙;M代表金屬陽離子(比如Co,Mn和Ni).
圖3. 不同溫度(0℃,23℃和45℃)下循環(huán)的電池容量與循環(huán)次數(shù)的關(guān)系。
低溫下鋰離子在石墨中的擴(kuò)散速率降低,而高溫下副反應(yīng)增加。在0℃循環(huán)時(shí),剛開始時(shí)電池容量出現(xiàn)降低,然后容量出現(xiàn)短暫的增加。0℃的容量增加可能是電池化成的延續(xù),以及/或者電極更加充分地被電解質(zhì)浸潤。23℃、45℃下循環(huán)的電池沒有出現(xiàn)容量增加的現(xiàn)象。在首次400次循環(huán)過程中,0℃和23℃的容量下降更快。超過400次循環(huán)后,45℃下循環(huán)的電池容量損失加劇。500次循環(huán)后,0℃、23℃和45℃的平均容量損失分別為76%、45%和35%。
圖4.(a)循環(huán)前電池的EIS。(b)循環(huán)前和循環(huán)后的本體(Rb)阻抗、界面阻抗(Ri)和總阻抗(Rt)。
循環(huán)500次后滿電電池的EIS表明在高頻區(qū)有一個(gè)圓弧,在低頻區(qū)出現(xiàn)一條直線。Ri代表界面阻抗,包括SEI阻抗和法拉第電荷轉(zhuǎn)移阻抗。Rb代表電池的本體阻抗,包括電解質(zhì)、隔膜和電極的歐姆阻抗,以及極耳連接的阻抗。0℃循環(huán)500次的電池本體阻抗幾乎沒有變化,可能是歸因于在低溫下慢的電解質(zhì)降解動(dòng)力學(xué)。23℃和45℃循環(huán)500次的電池本體阻抗分別增加11.6%和16.7%,可能歸因于電解質(zhì)變干和/或電極衰退,兩種情況均會(huì)增加歐姆阻抗。此外,在0℃和23℃循環(huán)500次的電池,界面阻抗分別降低17.3%和28.6%。而45℃下循環(huán)的電池界面阻抗增加了16%,歸因于形成了更厚的SEI層和/或電極材料的表面衰退。一般而言,0℃下循環(huán)的電池總阻抗降低,衰退最慢;23℃循環(huán)的電池總阻抗幾乎沒有變化,歸因于略微增加的本體阻抗和略微降低的界面阻抗;而45℃循環(huán)的電池阻抗增加最多,表明衰退最嚴(yán)重。
CT結(jié)果表明,沒有循環(huán)的電池電極之間存在間隙。在0℃下循環(huán)500次,電極的間隙沒有明顯變化。在23℃下循環(huán)500次,電極出現(xiàn)了緩慢發(fā)展的新間隙。不同溫度下間隙形成的差異與通過的電量不同有關(guān)。在同樣的電壓區(qū)間下循環(huán),45℃電池的容量幾乎是0℃電池容量的2倍,歸因于不同溫度下不同的內(nèi)阻和鋰離子動(dòng)力學(xué)。盡管循環(huán)次數(shù)相同,45℃下循環(huán)的電池具有更多數(shù)量的鋰離子移動(dòng),導(dǎo)致體積變化更大,電極間隙更多。
沿著電極間隙區(qū)域的二維平面剖面圖表明45℃下循環(huán)的電池間隙區(qū)域,在經(jīng)過500次循環(huán)后明顯增加。從平面剖面圖可定性地觀察到電解質(zhì)消耗或重新分布。沒有循環(huán)時(shí),電解質(zhì)出現(xiàn)在電池頂部,為中密度材料(圖6的紅色箭頭)。電解質(zhì)大部分被多孔電極和隔膜所吸收,少量電解質(zhì)可在卷芯的頂部和電池殼體處形成彎月面。不考慮溫度影響,循環(huán)500次后電池不存在過多的電解質(zhì)。
圖5. 在(a)0℃,(b)23℃和(c)45℃下沒有循環(huán)(循環(huán)000)以及循環(huán)100、200和500次的電池二維截面圖。
圖6. 在(a)0℃,(b)23℃和(c)45℃下沒有循環(huán)(循環(huán)000)以及循環(huán)100、200和500次的電池二維平面剖面圖。
圖7. (a)未循環(huán),(b)0℃循環(huán)500次和(c)23℃循環(huán)500次,以及(d)45℃循環(huán)500次的電池拆解的負(fù)極。
與未循環(huán)的電池相比,23℃循環(huán)的電池具有小的銀色/灰色沉積物(黑色箭頭),對應(yīng)析鋰的顏色和紋理;沒有發(fā)現(xiàn)電解質(zhì)的分解產(chǎn)物。0℃循環(huán)的電池(圖7c)具有更多的銀色/灰色沉積物,對應(yīng)析鋰。45℃循環(huán)的電池(圖7d)具有大量的分解產(chǎn)物,鋰化程度不均勻,伴隨電解質(zhì)的分解(綠色橢圓)。
圖8.45℃循環(huán)500次,變色負(fù)極的SEM和EDS分析。(a)變色電極的拆解圖,(b)放大圖(紅色區(qū)域),(c)綠色區(qū)域的SEM,(d)干凈金色區(qū)域(橙色區(qū)域)的SEM,(e)具有銀色/灰色產(chǎn)物(黃色區(qū)域)的紅色和深色區(qū)域的SEM,(f)銀色/灰色產(chǎn)物(藍(lán)色區(qū)域)的高分辨SEM,(g)金色區(qū)域的EDS,(h)銀色/灰色區(qū)域暴露在空氣中的EDS譜圖,(i)紅色和深色區(qū)域的EDS。
圖8b的放大圖表明45℃下循環(huán)500次的負(fù)極具有三種不同的區(qū)域:金色區(qū)域(無沉積物)、紅色和深色區(qū)域,有沉積物的銀色/灰色區(qū)域。金色區(qū)域的SEM和EDS分析表明該區(qū)域?yàn)榈湫偷氖ㄌ迹┴?fù)極形貌,碳峰很強(qiáng)。與金色區(qū)域?qū)Ρ�,紅色和深色區(qū)域沒有明顯的化學(xué)或形貌不同,表明該區(qū)域?yàn)槭牟煌耆嚮�,對�?yīng)電極間隙導(dǎo)致的電極接觸不良。銀色/灰色沉積物具有苔蘚狀形貌,是典型的析鋰特征,部分區(qū)域出現(xiàn)枝晶。暴露在空氣中的電極EDS圖譜顯示了主要的氧峰,與局部析鋰對應(yīng)。
圖9. (a)45℃下循環(huán)后正對負(fù)極的隔膜圖像,(b)對應(yīng)的CT結(jié)果。
圖10. 典型的ARC測試時(shí)電池溫度和電壓與時(shí)間的函數(shù)關(guān)系:經(jīng)過加熱-等待-搜索模式之后,ARC進(jìn)行放熱模式(自加熱大于0.02℃/min)直至熱失控發(fā)生。
ARC測試時(shí),在HWS模式期間,ARC加熱至起始溫度50℃,等待25min達(dá)到溫度平衡,然后搜索放熱10min(自加熱>0.02℃/min)。如果沒有探測到自加熱,ARC升溫至下一個(gè)閾值,并且重復(fù)以上過程。一旦自加熱速率超過0.02℃/min,ARC切換至放熱模式,然后ARC追蹤樣品的溫度,維持絕熱環(huán)境直至電池發(fā)生熱失控(自加熱速率>15℃/min)。在熱失控開始前,出現(xiàn)突然的電壓降,幾乎同時(shí)出現(xiàn)電池排氣。在電池的熱失控之前(大概1100min),初始的電壓降又恢復(fù)至4.0V以上,然后繼續(xù)降低,直至進(jìn)入熱失控。該行為與隔膜失效造成的電池初始短路一致,要么由于局部受熱的電解質(zhì)突然產(chǎn)生大量氣體分離了(a)電極/短路,或者(b)隔膜局部受熱導(dǎo)致短路區(qū)域的融化/閉合。
圖11. 未循環(huán)電池和不同溫度循環(huán)500次電池的自加熱速率與溫度的關(guān)系。
在起始溫度(>0.02℃/min)以上,自加熱隨溫度呈指數(shù)增長。當(dāng)在129-144℃范圍內(nèi)進(jìn)行自加熱時(shí),所有電池均出現(xiàn)自加熱速率的突然降低;歸因于電池排氣和電解質(zhì)蒸發(fā)。與未循環(huán)電池相比,三種循環(huán)電池具有更高的自加熱速率和更低的起始溫度,表明熱穩(wěn)定性更差。在0℃和23℃下循環(huán)500次的電池顯示類似的自加熱速率;而在45℃下循環(huán)的電池,在更低的溫度下(如<140℃)自加熱速率更低。從45℃下循環(huán)500次的電池拆解圖片可知,電極表面有大量的電解質(zhì)分解產(chǎn)物和/或析鋰,該情況看起來不會(huì)導(dǎo)致更低的熱穩(wěn)定性。可能的原因是在45℃下循環(huán)的電池出現(xiàn)了更多的可循環(huán)鋰損失。此外,45℃循環(huán)的電池具有低鋰化程度(低SOC)的區(qū)域,這會(huì)增加起始溫度,從而抗衡析鋰(析鋰會(huì)降低起始溫度)。
圖12. 在(a)0℃,(b)23℃和(c)45℃下循環(huán)不同次數(shù)的自加熱速率與溫度的關(guān)系。
由于電池排氣和電解質(zhì)蒸發(fā),所有的電池在127-144℃時(shí)自加熱會(huì)出現(xiàn)突然的下降。0℃下循環(huán)的電池,起始溫度降低,自加熱速率隨循環(huán)次數(shù)增加而增加,表明在低溫下,熱穩(wěn)定性逐漸變差。對于23℃循環(huán)電池,盡管與未循環(huán)電池相比,經(jīng)過200次循環(huán)后,起始溫度降低,自加熱速率增加,但是在200次和500次循環(huán)之間,自加熱速率沒有明顯的變化。對于45℃循環(huán)的電池,循環(huán)200次的電池起始溫度降低,自加熱速率增加。在溫度<100℃時(shí),45℃循環(huán)的電池,隨著循環(huán)次數(shù)增加,起始溫度降低,自加熱速率增加,但是在200次和500次循環(huán)之間,當(dāng)溫度>100℃時(shí),自加熱速率沒有明顯變化。
表. ARC測試結(jié)果匯總。
從ARC結(jié)果可知,循環(huán)200次電池的起始溫度為72-78℃,循環(huán)500次電池的起始溫度為67-68℃。起始溫度隨著循環(huán)次數(shù)增加而降低,表明需要維持熱失控的溫度更低。類似地,與未循環(huán)電池相比,循環(huán)電池的熱失控溫度略低。與未循環(huán)和循環(huán)200次的電池相比,循環(huán)500次電池的最大表面溫度明顯更低,可能歸因于循環(huán)后更低的電池容量(損失可循環(huán)的鋰)。特別是對于45℃/500次循環(huán)的電池,具有最低的峰值溫度,且僅是唯一具有低鋰化區(qū)域(更低容量)的電池。Waldman等報(bào)道18650電池的Tmax與充電容量有關(guān),而與老化機(jī)理無關(guān)。
與未循環(huán)電池相比,對于循環(huán)電池,從82℃(最高起始溫度)到發(fā)生熱失控所需的時(shí)間更短,表明循環(huán)電池的熱穩(wěn)定性更差,與所有溫度下循環(huán)電池的自加熱速率更高一致。
在本工作中,作者系統(tǒng)研究了循環(huán)對方形鋰離子電池內(nèi)部電池結(jié)構(gòu)(間隙)、電池容量、阻抗和熱性能的影響。在不同溫度(0℃,23℃和45℃)下循環(huán)500次的方形電池顯示不同的間隙和衰退機(jī)理。0℃循環(huán)的電池具有小的灰色/銀色沉積物,對應(yīng)間隙區(qū)域的析鋰。45℃循環(huán)的電池電極間隙變大,產(chǎn)生了大量的分解產(chǎn)物。EIS測試表明45℃循環(huán)電池的分解產(chǎn)物歸因于電解液變干和SEI生長。在23℃下循環(huán)的電池具有最小的間隙變化和電解質(zhì)分解或析鋰。與未循環(huán)電池相比,所有循環(huán)電池均具有更高的自加熱速率和更低的起始溫度。45℃下循環(huán)500次的電池具有大量的分解產(chǎn)物,而與低溫下循環(huán)的電池相比,這并不是造成更高安全風(fēng)險(xiǎn)的原因。0℃循環(huán)的電池,隨著循環(huán)次數(shù)增加,起始溫度降低,自加熱速率增加,表明當(dāng)?shù)蜏叵卵h(huán)時(shí)析鋰成為主要的衰退機(jī)理,會(huì)導(dǎo)致熱穩(wěn)定性變差。與析鋰相關(guān)的安全特性變差,最大可能是由于鋰金屬與電解質(zhì)反應(yīng),而與鋰枝晶生長誘導(dǎo)的局部短路無關(guān),因?yàn)閺碾姵匮h(huán)結(jié)果來看,沒有發(fā)現(xiàn)電池短路和加速電壓衰減的證據(jù)。綜合來看,方形電池的安全行為不僅與電池內(nèi)部結(jié)夠(比如間隙)有關(guān),還與循環(huán)后電池的分解產(chǎn)物有關(guān)。
參考文獻(xiàn):The Influence of Cycling, Temperature, and Electrode Gapping onthe Safety of Prismatic Lithium-Ion Batteries;Journal of The Electrochemical Society, 2020 167 160515;Zhuhua Cai, Sergio Mendoza, Johanna Goodman, John McGann, Binghong Han, Hernan Sanche and Ryan Spray .