鋰離子電池在運行和儲存過程中通常表現(xiàn)出容量逐漸衰減，而且在高壓或高溫等惡劣條件下循環(huán)時，它們也可能突然失去大部分容量（即“容量跳水”）。在此，上海交通大學李林森副教授團隊和上?？臻g電源研究所顧海濤研究員團隊合作研究了高能量密度LiNi0.80Co0.15Al0.05O2/石墨（NCA/Gr）電池在55°C下循環(huán)過程中發(fā)生容量急劇衰減的原因。電化學、結構和化學分析表明，負極表面嚴重的鋰沉積是導致容量急劇衰減的主要原因，高溫下的Li沉積由溫度觸發(fā)的不均勻Li離子通量引起的，這是一種熱力學驅動機制，不同于低溫或快充條件下的動力學限制機制。作者進一步設計了Zr(OH)4包覆離子流隔膜，以使NCA/石墨軟包電池在600次循環(huán)過程中具有穩(wěn)定的循環(huán)性能，并且在55°C時容量不會突然衰減。相關研究成果“Preventing
sudden death of high-energy lithium-ion batteries at elevated temperature
through interfacial ion-flux rectification”為題發(fā)表在Advanced
Functional Materials上。 原文鏈接：https://doi.org/10.1002/adfm.202208329
鋰離子電池在消費電子、電動汽車和儲能等領域的廣泛應用中發(fā)揮著越來越重要的作用。盡管其性能出眾，但電池在反復充放電循環(huán)和存儲過程中會發(fā)生容量衰減，實驗研究揭示了幾種主要的老化過程，包括固態(tài)電解質界面（SEI）沉積、正極/負極顆粒破碎、正極/負極結構坍塌、過渡金屬溶解以及負極表面不均勻的鋰沉積。了解這些容量衰減機制為電池性能和使用壽命的持續(xù)改進提供了基礎，它還引起了各種基于物理/電化學的老化模型的發(fā)展，這些模型對電池健康預測和電池管理至關重要。 通常還可以觀察到，電池可能在少量循環(huán)中突然失去大部分容量，這被定義為“電池容量跳水”。在鋰離子電池中經(jīng)常觀察到“電池容量跳水”現(xiàn)象，這主要歸因于鋰金屬負極的退化和液態(tài)電解質的消耗，“容量跳水”現(xiàn)象因為其不可預測的性質和顯著縮短循環(huán)壽命對鋰離子電池是嚴峻的挑戰(zhàn)。例如，已知LiNixMnyCo1-x-yO2(NMC)/石墨電池在充電到高電壓（>4.3V）以獲得更高能量時會發(fā)生容量突然急劇衰減。盡管電化學測量表明，正極顆粒包覆、電解質改性和電池工藝改性可能會延遲容量衰減，但“電池容量跳水”的潛在機制和起源仍不清楚，在微觀層面缺乏理解對電池設計和管理都提出了巨大的挑戰(zhàn)。 作者進行了一項系統(tǒng)研究，以了解LiNi0.80Co0.15Al0.05O2/石墨軟包電池在高溫循環(huán)過程中的容量急劇衰減現(xiàn)象。石墨負極表面的不均勻鋰沉積被證實是導致容量突然衰減的主要因素，而其他電池組件的退化起次要作用，而鋰沉積可能與石墨負極表面的不均勻鋰離子通量有關。在適宜的倍率和高溫下金屬鋰沉積不應受到Li+嵌入石墨的緩慢動力學的限制，相反，不均勻Li+通量有利于金屬鋰的沉積，而不是鋰離子嵌入石墨，熱力學驅動的Li沉積機制與低溫或快充條件下的緩慢動力學所產生的機制完全不同。 基于這些見解，作者設計了一種離子流隔膜，以減少不均勻Li+通量的有害影響，從而克服了容量急劇衰減缺陷，設計優(yōu)化后的NCA/石墨軟包電池具有超高面容量(4 mAh cm?2)，在55°C下實現(xiàn)了600周的穩(wěn)定循環(huán)。作者的研究結果表明了鋰離子電池容量衰減的復雜原因，這不僅僅是材料層面的結構退化，還取決于動力學和熱力學之間的相互作用，而動力學和熱力學決定了鋰沉積的傾向及其后果。這項工作強調了調節(jié)表面離子通量以減少反應不均勻性的重要性，并為改善其他電池材料（如LiFePO4/石墨和LiMn2O4/石墨）的高溫性能提供了啟示。（文：李澍）
