锂电池损伤机理的不均匀性研究

电子产品和电动汽车的需求市场在迅速增长,这推动了对可充电电池的研究。电池研究的一个重要方向就是针对电池颗粒和电极在实际运行条件下,在不同时间空间尺度下的损伤机制。在这个体系里,复杂的电化学过程相互交织影响,积累力学应力,导致颗粒破裂,并由此引发电极材料中充放电状态(SOC)的不均匀性,最终导致电池失效。

在电极中,对这些电化学过程和相互影响进行多尺度的定量分析可以用于精确诊断电池的损伤机制。这个方向虽然引起了广泛的关注,但是仍然非常具有挑战性。由欧洲同步辐射研究中心的杨阳博士,美国斯坦福同步辐射光源刘宜晋博士,美国普渡大学赵克杰博士,和美国弗吉尼亚理工大学林锋博士所带领的国际团队对这个电池材料中的复杂问题进行了系统的研究,近日报导了突破性成果。他们结合了多种技术,包括X射线显微镜术,纳米级硬X射线光谱显微术,硬X射线相位衬度成像显微术,软X射线吸收谱技术,和透射电镜来系统地研究多晶体富镍层状NMC复合电极在快充条件下的形貌和化学损伤机制。

研究者们成功的对复合电极的局部损伤程度进行了从纳米,微观,介观,到宏观的表征和定量分析。其中,硬X射线相衬显微术可以一次性对上千颗活跃颗粒进行纳米级别的成像。这些前所未有的大量数据可以帮助研究人员对电池的二次颗粒在快速充电的条件下的化学力学变化进行有统计意义的分析。

他们发现,电极中二次颗粒破裂程度是和颗粒的位置相关的。这些结果表明,电极中的二次颗粒的活跃程度以及他们对宏观电化学的贡献随着时间和位置发生动态变化。基于对这种复杂的损伤机制所进行的系统表征,他们可以得出结论:接近隔膜的二次颗粒在化学反应早期就经历了较严重的损伤,在充电过程中,这种损伤逐渐趋向电极深处,也就是向靠近集流体的区域发展。最终导致整个电极的性能受到严重影响。

基于相衬成像显微术的大量三维形貌数据,研究者们进一步利用有限元建模对电极尺度的应力分布和发展进行了仿真。他们指出,这种损伤不均匀性存在于多个不同尺度,进而引发了局部电荷和离子导电率的失衡,并影响了二次颗粒在空间和时间上的非均匀贡献。

这项工作为研究人员了解锂电池的性能衰减机制提供了有效的帮助,进而建立了电池材料的宏观性质和微观结构之间的相互联系。这些信息不仅从应用角度有助于材料科学家进一步改良电池正极材料的性质,而且对电极材料失效机制的基础科学研究也有着重要的价值。研究中所采用的多尺度成像技术,对利用大科学装置开展的前沿研究的众多学科领域都具有重要的借鉴意义。

相关论文“Quantification of Heterogeneous Degradation in Li‐Ion Batteries”发表在Advanced Energy Materials (DOI: 10.1002/aenm.201900674)上。