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1、 固態(tài)鋰電池的失效行為、失效機制及失效分析
固態(tài)鋰電池(SSLBs)由于其安全性和潛在的高能量密度優(yōu)勢,被認為是下一代動力電池的重要發(fā)展方向,F(xiàn)階段固態(tài)鋰電池仍存在各種問題,比如固態(tài)鋰電池的失效行為,它會嚴重影響電池性能,包括降低電池的能量密度、功率密度、可靠性、安全性和循環(huán)壽命,從而影響電池的大規(guī)模商業(yè)化應用。固態(tài)電池循環(huán)容量損失、內(nèi)阻增加、內(nèi)短路、熱失控、日歷失效等均屬于電池的失效行為。
通過了解和認識固態(tài)電池中各種失效行為,深入探索固態(tài)電池失效機理,才能更有針對性的去解決固態(tài)電池的失效問題,提升固態(tài)電池的電池性能。目前,固態(tài)鋰電池失效機制的研究尚不完善,需要根據(jù)電池的失效表現(xiàn),對電池進行電池外觀檢測、電池無損檢測、電池有損檢測以及綜合分析。失效分析主要基于現(xiàn)有的失效行為,結(jié)合現(xiàn)有的分析手段,達到探求其失效原因的目的,并積累其失效過程中的各種失效因素,最終反饋到固態(tài)鋰電池設(shè)計環(huán)節(jié)達到預防失效或延長壽命的目的。固態(tài)鋰電池是一個復雜體系,失效分析涉及電池的電化學性能分析,熱性能分析,力學性能分析,結(jié)構(gòu)分析,成分分析,物相分析,價態(tài)分析,功能組
分析等,主要采用電化學測試、先進的原位/非原位表征以及理論計算和數(shù)值模型模擬等手段。研究人員開展了大量的失效機制研究,提出了多種電池失效機制,包括電極與電解質(zhì)的固/固界面問題、負極鋰金屬的枝晶生長、正極結(jié)構(gòu)演變與機械失效、電解質(zhì)失效等。
2、固態(tài)鋰電池電極過程中的原位研究
近幾年,伴隨著先進表征技術(shù)的發(fā)展,使得界面研究成為可能,固態(tài)電池內(nèi)在反應機理的深入研究也因此取得了一定的進展。傳統(tǒng)的非原位表征技術(shù),因后處理導致時間上的推遲,不能提供隨環(huán)境變化而變化的定性、定量信息,所以有必要發(fā)展在不同時間、空間尺度下的原位表征技術(shù),以實時監(jiān)測電池微觀結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變和離子擴散的演變過程,圖1展示了各原位表征技術(shù)在SSLBs中的應用。
圖1固態(tài)鋰電池電極過程的原位表征技術(shù)示意圖
其中,成像表征技術(shù)主要包括原位電子顯微鏡(掃描電子顯微鏡(SEM),透射電子顯微鏡(TEM)),原位原子力顯微鏡(AFM),原位光學顯微鏡(OM)和原位X-ray顯微鏡(XRM)。原位SEM可以揭示電極的形貌演變,如體積膨脹和裂紋的形成OM空間分辨率較低,但在分析枝晶刺穿電解質(zhì)過程具有一定優(yōu)勢。AFM因超高的表面靈敏度,被用于探測電極表界面的微觀變化,提供理嵌入/脫出和固體電解質(zhì)中間相的演化過程;瘜W成分分析技術(shù)包括拉受光譜X-ray基技術(shù)(X-ray光電子能譜(XPS),X-ray衍射技術(shù)(XRD),X-ray吸收光譜(XAS)),中子深度剖析(NDP),核磁共振(NMR)等。XRD能夠表征材料的體相結(jié)構(gòu),確定樣品的結(jié)晶度和物相組成,XAS關(guān)注原子配位環(huán)境和化學態(tài)的信息,NDP基于中子和原子核之間的相互作用,提供鯉離子的分布情況和擴散路徑基于這些表征手段。
隨著原位技術(shù)的不斷進步,電池內(nèi)部反應機制逐漸清晰化,優(yōu)化策略也不斷地創(chuàng)新。然而,對于復雜的固態(tài)鋰電池體系仍缺乏系統(tǒng)性的認識,對于很多挑戰(zhàn)性的問題還需要進一步的理解和突破。
針對固態(tài)電池相關(guān)的技術(shù)、材料、市場及產(chǎn)業(yè)等方面的問題,中國粉體網(wǎng)將于12月20-21日在常州舉辦第四屆高比能固態(tài)電池關(guān)鍵材料技術(shù)大會,為致力于固態(tài)電池技術(shù)開發(fā)的企業(yè),科研院校,以及電動車、儲能、特種應用等終端企業(yè)提供信息交流的平臺,開展產(chǎn)、學、研合作,共同推動行業(yè)發(fā)展。屆時,燕山大學唐永福教授將作題為《固態(tài)鋰電池負極界面失效的多尺度原位研究》的報告。報告將介紹近年來通過原位透射電鏡、原位掃描電鏡等多尺度可視化手段對鋰枝晶及負極界面失效力-電-化學耦合特性的原位研究,直觀解析不同固態(tài)電池體系鋰枝晶的形成及演化機制,提出鋰枝晶抑制的可能策略,為長壽命、高安全固態(tài)鋰電池的設(shè)計與開發(fā)提供參考。
專家簡介:
唐永福,燕山大學教授,博士生導師。一直以來,從事固態(tài)電池、金屬-空氣電池等儲能器件及其關(guān)鍵材料的開發(fā)及原位表征等研究。近年來,主持國家自然科學基金、教育部霍英東基金等科研項目10余項,獲得河北省自然科學獎三等獎(排名第一)、河北省“青年拔尖人才”、河北省“三三三”人才等人才項目及榮譽;以第一/通訊作者在Nat.Nanotechnol.,Angew.Chem.Int.Ed.(2篇),Adv.Mater.,EnergyEnviron.Sci.,NanoLett.(3篇),ACSNano(3篇),ACSEnergyLett.(2篇),Adv.Funct.Mater.(3篇),NanoEnergy(2篇)等期刊發(fā)表論文70余篇;論文他引3300余次,h因子為32;申請國家發(fā)明專利15項,已授權(quán)10項。
參考來源:
田建鑫等.固態(tài)鋰電池電極過程的原位研究進展
呂志文等.固態(tài)鋰電池失效機制及其研究進展
王濤等.固態(tài)電池失效分析
(中國粉體網(wǎng)編輯整理/文正)
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