软包电池内部空间动态原位表征！

大家好，小科来为大家解答以上问题。软包电池内部空间动态原位表征！这个很多人还不知道，现在让我们一起来看看吧！

1、原位表征技术可以从空间动力学的角度分析软包装锂电池内部的力学和化学变化。

2、由于商用软包锂电池的封闭结构，快速充电过程中的失效机理复杂，给软包电池的表征带来很大困难。

3、同步X射线成像是软包装锂电池内部力学和电化学动态变化的常用原位无损检测技术，但该设备价格昂贵，无法广泛应用。

4、此外，普通的声波检测技术只能在1D维度上扫描软包电池，通过建立声波-时间模型来分析软包电池的失效机理，如锂析出、产气等。这些测试都是在化成阶段或电池失效后进行的，对实时物理相变过程(如充放电过程中的石墨负相变)的研究很少。

5、因此，开发一种新的廉价、简单、无损的检测技术，实时监测软包装锂电池在循环过程中的物理化学变化，具有重要的市场前景。

6、[工作介绍]

7、哥伦比亚大学化学工程系的Daniel Steingart教授和普林斯顿大学机械和航空系的Wesley Chang开发了一种基于时间和频率的原位2D声学扫描设备，可以检测柔性电池中的动态变化。

8、该设备的技术优势如下：1 .可以准确定位电池中宏观不均匀性(如锂金属析出)发生的时间和地点。

9、2.它可以用来检测任何大小的柔性电池在任何充电和放电率。

10、3.通过建立微分振幅成像模型，可以分析电极相变行为的空间动力学。

11、这篇文章发表在顶级国际杂志ACS Energy Letters上，由梅赛德斯-奔驰北美研发中心资助。d中心。

12、[图形指南]

13、在图1a中，当电池以C/2充电和放电时，声波的振幅在充电过程中上升，然后在放电过程中下降。

14、对应于图1b中的ToF曲线，频率在充电期间降低，在放电期间增加。

15、推导时间-振幅曲线，可以获得图1c中的微分振幅曲线，其对应于充电和放电期间电极材料的相变。

16、图1d中的频率振幅分析了傅立叶变换后峰值频率的偏移。

17、图1声学扫描的四种模型：(a)时间-振幅模型描述了在C/2充放电倍率下，电池组某一位置的振幅随时间的变化。

18、(b) ToF代表声波通过电池的时间，与电池的厚度和模数的变化有关。

19、(c)微分振幅用于描述电极的相变。这条曲线是由图a的导数得到的。

20、(d)对频率-振幅曲线进行快速傅立叶变换，在峰值频率成像。

21、图2显示了以C/5的恒定电流充电和放电的400 mAh LiCoO2/石墨软包装电池。以0.5mm的声波速率扫描电池，扫描面积约为32 cm2。

22、获得的振幅强度扫描结果表明，振幅在充电期间增大，在放电期间减小。

23、这是因为石墨电极在锂化后体积会膨胀~10%，电池的模量会增加3倍，因此声波的传输距离会加长，导致声波的振幅增加~150%。

24、图2原位声波振幅扫描：(a)400 mAh licoo 2/石墨柔性电池在C/5恒流循环下的振幅强度扫描结果。

25、为了显示电池在快速充电过程中的内部变化，对以2C速率循环的电池进行了声波扫描，截止电压分别为4.2、4.35和4.5 V。

26、扫描设备可以扫描6cm2的软包电池，扫描速度为0.5mm，每次扫描大约需要1.5分钟。在整个30分钟的充电过程中，可以扫描20幅声波的振幅图像。

27、在图3a中，当充电截止电压为4.2V时，前四个循环中的声波振幅强度分布相对均匀，表明电池内部没有明显变化。

28、出现了不均匀的声波振幅

29、柔性电池极耳的放置、隔膜孔的闭合、电极的边缘效应等导致电流分布不均匀的因素，都会导致不同程度的锂析出。

30、当充电截止电位达到4.5V(图3c)或4.8V(图3d)时，电极处的永久性锂析出更加严重，放电后锂析出依然存在。

31、在40的温度下，以4C速率循环的电池的声波振幅在充电开始时降低，在静置期间振幅强度再次增加。

32、这说明在40下，4C高速充电0.1小时，不会引起胀气或锂沉淀引起的永久性声波振幅衰减。

图三 不同充放电倍率下的声波扫描：（a） 2C充电截止电位为4.2V， （b） 4.35 V， （C） 4.5 V， 放电倍率均为C/2，放电截止电位为2.7 V。

34、（d） 4C充电到4.8V，并保持20分钟。

此工作中的快速2D扫描技术可以观察软包电池宏观平面上的声波振幅强度信号分布，即使在快充模式下，依然能检测出电池特定部位的析锂或产气变化。

36、图三检测了容量为400 mAh的LCO/石墨软包电池的振幅强度变化，在首圈1C恒流充电到4.5V时，振幅强度增加了1.5倍，并在随后的C/2放电过程中慢慢降低。

37、极耳附近的振幅强度发生的明显衰减，这是由极耳附近的应力和电压梯度不均匀导致的锂析出引起的。

38、循环40小时之后，软包电池的大部分区域发生了信号衰减，这是由于长时间循环之后电池内部的产气量逐渐增加。

图四 微分振幅图像描述电极的空间相变：容量为400 mAh的LCO/石墨软包电池在1C恒流充电到4.5V，20分钟静置，然后C/2放电的（a）首圈和（b）第十圈的声波振幅强度图像 （C） 首圈的微分振幅曲线与成像分析（红色为正值，蓝色为负值）（d） 第十圈相对于第一圈出现了较大的变化。

声波扫描技术可以进一步理解软包电池的电化学-力学耦合行为。

42、dV/dQ曲线的峰值对应于电池循环过程中电极材料的相变过程，微分振幅分析将相变过程变得空间可视化。

43、通过对微分电压和微分振幅信号进行校正，可以对电化学-力学耦合行为进行经验测量。

44、快速充电条件下一系列的相变反应同时发生，导致特征峰变宽，锂化过程发生在石墨电极的表面而非内部。

45、从C/5增大到1C时，图5a的微分电压和图5c的微分振幅曲线显示有三至四个主要的峰位，对应于石墨电极的相变。

46、在高于2C的倍率时，由于相变过程重叠和锂化过程的减弱，特征峰变宽，强度变低。

47、而且出现的额外特征峰，对应于锂的沉积。

48、2D微分分析可以描述软包电池在快充过程中的空间变化，随着充放电倍率增加，微分曲线的峰变宽，强度变低。

图五（a）不同充放电倍率下的微分电压（dV/dQ）曲线，（b）电压曲线， （C） 微分振幅曲线（d（Amp）/dQ）， （d） 振幅强度曲线。

进一步对无负极锂金属软包电池和大尺寸商用软包电池进行了2D原位声学扫描。

52、无锂负极软包电池由于电解液的消耗，容易导致死锂或产气，这些界面粗糙度的变化是一种声波的散射体，原位2D声学扫描技术可以以此来表征电池特定部位在循环过程中的电解液消耗速率。

53、采用库伦效率较低的电解液体系（1M LiPF6 EC:EMC + 2% VC）进行表征，在第二圈充电时声波振幅强度发生了明显减弱，而且频率比时间在振幅强度的分析上更加敏感，对电池润湿效果的辨别也更清晰。

54、电池拆解后，发现了大量生成的锂枝晶，使得声波振幅强度减弱，并且频率也出现降低。

图六（a）随着锂沉积的增加，声波振幅强度逐渐减小（b）频率扫描分析说明了电池可能存在的不均匀润湿性。

【结论】

该原位声波检测装置可以检测大尺寸商业软包电池，具有以下几点优势：

1. 大尺寸的软包电池（6 cm2）可以在2分钟内扫描完毕，并且在高倍率充电状态下依然保持较高的精确度。

2. 微分振幅将声学信号和电极相变联系起来，比之前的相关研究进了一大步。

3. 频率和时间扫描分析在揭示电池变化中起到相互补充的作用。

4. 原位声学扫描可以对不同尺寸的锂离子电池或者无负极锂金属电池进行扫描分析。

审核编辑 ：李倩

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