理解锂离子电池电极不均一反应:通过双层电极原位同步X射线衍射

advs201500083-gra-0001-m商用锂离子电池电极中的不均一反应容易引起电极局部过充和过放电,从而缩短锂离子电池的寿命,同时显著降低电池安全性。不均一反应可能发生在平行电极和垂直电极方向,理解电极不均一反应及其发生过程对于优化电极制造、结构并提高电池的寿命和安全性具有重要意义。然而目前关于电极垂直方向不均一反应的研究较少,而发展电极不均一反应的研究方法是揭示电极不均一反应的关键。

日本丰田研发中心电池实验室Tsuyoshi Sasaki博士和瑞士保罗谢勒研究所Petr Novák教授研究团队结合原位同步X射线衍射和具有不同孔隙率的两层电极(LiNi0.80Co0.15Al0.05O2 和LiMn2O4), 发展了一种电极垂直方向不均一反应的研究方法,同时研究了不同电极密度下不均一反应的行为和过程。研究发现在低孔隙率电极中靠近隔膜的活性组分相比靠近集流体的活性组分具有明显较强的反应活性,如即使靠近集流体的LiNi0.80Co0.15Al0.05O2层虽然具有较低的脱锂电位,但是靠近隔膜的LiMn2O4层优先发生脱锂反应;而在低密度高孔隙率电极中不发生上述现象。研究发现电极不均一反应主要受离子扩撒速率限制,由于高密度多孔电极中较低的电解液离子电导率,使得电流首先流到靠近隔膜的电极区域发生反应。通过调整电极的厚度、结构、孔隙率、导电剂的用量和测试制度能够缓减这种不均一反应。这种新方法为清晰地解释垂直于电极方向的不均一反应提供了很好的途径和思路,同时在其他领域也具有很好的应用前景。相关成果在线发表于Advanced Science(2015, 2, 1500083)

贺 艳兵 About 贺 艳兵

清华大学深圳研究生院。主要从事电化学储能材料和器件的研究,包括锂离子电池材料的设计和制备及在动力电池中的应用、锂离子电池安全性和老化机理研究,新一代锂硫、锂空气电池的研究,超级电容器应用技术研究。更多信息请访问:http://www.sz.tsinghua.edu.cn/publish/sz/138/2013/20130712171311093446196/20130712171311093446196_.html