首 頁 新聞中心 企業E庫 行業評測 技術園地 行業標準 質檢信息 書刊推薦 人才招聘 技術論壇 品牌推薦 研究所簡介 聯系我們
網站公告: 蓄電池網站改版通知:預計6.3號上線。
 當前位置:首頁 >> 熱點資訊
鋰電池局部溫度過熱引起鋰枝晶的快速生長和電池短路
作者:轉自能源學人  發布時間:2019-05-16  

電池儲能系統的發展對實現可再生能源的開發和高效利用起到至關重要的作用。盡管鋰離子電池儲能技術在近幾年已經取得了很多重要的研究進展,但是充電速度和能量密度的不斷增高也帶來了一些重大的安全問題,例如自發熱已經成為一個不可忽視的安全隱患。雖然之前已有報道對均勻溫度狀態下溫度對鋰生長形態、循環性和老化率的影響進行了詳細的研究;但在實際應用中,電池通常在不均勻的溫度狀態下工作,常?;岢魷鐘贍誆?、外部熱源或制造過程產生的不均勻性和缺陷造成的局部過熱情況。

研究局部溫度對電池性能影響的研究面臨的主要挑戰在于如何實現電池內部溫度的精確探測。電池中常使用的溫度測量技術主要包括遠程的(例如,附加在電池外部包裝上的傳感器)或宏觀的(例如,熱電偶和紅外成像)的探測方式。然而,電池電極材料的微小尺度及其微觀尺度下的電化學過程更需要微觀、局部的溫度傳感技術。電池內部短路造成的局部熱失控可能會導致災難性的火災或爆炸。因此,監測電池局部溫度可以幫助研究者了解故障發生機制并促進熱管理策略的發展。

鋰(Li)金屬作為一種極具吸引力的負極,在近年來得到了廣泛的研究。充分了解影響鋰電池中鋰金屬生長的各種因素,對于提高鋰金屬電池以及現有鋰離子電池的安全性起到至關重要的作用。

【成果簡介】

近日,美國斯坦福大學崔屹教授研究了局部過熱對電池中鋰金屬生長的影響,并據此提出了一種可能的溫度誘導電池短路機制。利用激光在鋰電池內部產生局域高溫,并基于微拉曼光譜學平臺進行測量。由于表面交換電流密度的增加,鋰沉積速率在過熱區域上加快了幾個數量級。作者進一步基于這些表征證明局部高溫可能是導致電池短路的重要原因之一。此外,溫度測量平臺為詳細描述儲能設備的熱特性打開了新的大門。該文章發表在國際頂級期刊Nature communications上。Yangying Zhu和Jin Xie為本文共同第一作者。

【圖文導讀】

用于局部溫度測量的拉曼光譜:

圖1. 實驗裝置。a)改進后的紐扣電池原理圖(不按比例),該電池具有光學透明玻璃窗口,用于激光照射到作為溫度指示劑石墨烯和銅集電極;b)石墨烯的G拉曼峰位置隨溫度的變化。溫度系數由直線擬合(虛線)的斜率得到。插圖顯示了校準裝置的原理圖;c) 研究了波長為532 nm的激光在紐扣電池中產生的銅局部溫度隨激光功率的變化規律。

為了研究鋰離子電池內部局部過熱對鋰生長行為的影響,作者利用拉曼光譜技術對鋰離子電池局部溫度的測試進行了研究。如圖1所示,作者首先構建了基于拉曼的溫度檢測系統。利用拉曼信號精確反饋電池局部溫度。(基于石墨烯的拉曼峰隨溫度的變化進行線性擬合)

鋰在電池局部過熱處的生長:


圖2. 溫度過熱區域的鋰沉積。鋰沉積在Cu上的SEM圖像(自上而下的視圖),局域溫度和激光功率分別為a)51℃(6.7 mW),b)83℃(13.4 mW),c)99℃(16.8 mW)。d-f)通過模擬得到相應(橫截面圖)激光光斑附近的溫度分布圖。g-i)用激光在銅表面模擬相應條件下的鋰沉積速率(自頂向下視圖)。

以往的報道已經對溫度均勻狀態下鋰的生長進行了研究,但是對于局部高溫狀態下鋰的生長研究較少。為了了解局部過熱如何影響電池行為,作者在微拉曼光譜平臺上研究了溫度可控的局部過熱點處鋰的生長行為,并用掃描電鏡(SEM)對其形貌進行了表征。如圖2所示,作者利用激光在電池局部點產生不同程度的局部過熱,并觀察鋰的生長情況。為了充分理解鋰在非均勻溫度狀態下的生長,作者還利用多物理場耦合分析軟件進行了模擬分析。測試結果表明局部過熱可以極大地提升鋰的局部沉積速率。反應動力學隨溫度呈指數增長的特性導致了鋰離子或鋰金屬電池的電化學性能對溫度波動的敏感性。

局部過熱誘導的電池短路:

電池內部短路會導致局部過熱和局部鋰的快速生長?;詿?,作者提出:內部局部過熱可能會導致電池短路的發生。并且,作者在電池內部搭建了局部溫度傳感控制系統并進行局部過熱試驗(圖3)證實了這個猜想。

圖3.局部過熱誘導的電池短路。a)以銅和鋰鈷氧化物(LCO)為電極的光學電池原理圖。b)電池在以30 μA恒定電流放電的電壓-時間曲線。短路開始后,電壓開始出現下降和波動。c)開始t0 = 0 s時,短路前d)t1 = 760 s,e)t2 = 1160 s;f)開始短路 t3 = 1480 s,g)短路后 t4 = 1800 s這幾個階段的鋰生長狀況。

圖4.局部過熱誘導的電池短路和局部溫度響應。a)在銅-LCO(鋰鈷氧化物)缺口和激光熱點處帶有電阻溫度檢測器(RTD)光學元件的原理圖;b)電阻隨溫度變化校正。對實驗測量值的線性擬合。電池的c)電流(左軸)和RTD測量的溫度響應(右軸)曲線圖。

【總結】

作者以微拉曼光譜為溫度傳感平臺,研究了鋰電池內部局部過熱對電池性能的影響。由于表面交換電流密度的增加,鋰的沉積速率在過熱區域上加快了幾個數量級。作者進一步基于電壓電流測量,光學可視化和溫度響應測試證明電池短路可以觸發一個不均勻的局部高溫點。本文重點研究了鋰電池內部的溫度敏感現象,揭示了鋰枝晶生長的正反饋性質; 較高的局部溫度可以加快鋰沉積速率,這可以進一步使電池短路,造成局部溫度進一步提高的連鎖反應。鋰枝晶生長與局部溫度升高之間的雙向關系不僅為理解電池內部的電化學動力學奠定了基礎,也為電池的設計提供指導。一般情況下,電池溫度升高還會引發電解質與活性物質和固態電解質間相的放熱反應(SEI),進一步加劇溫度的升高。

這些發現表明,未來高功率密度、快速充電電池的設計需要充分考慮熱的影響,以確保電池整體溫度統一??梢醞ü岣叩緋刈榧娜鵲悸?、改進裝置設計減少局部過熱、減少缺陷和利用有效熱擴散集電極的方法來實現。此外,使用微拉曼光譜或微RTDs陣列的溫度映射技術為詳細描述儲能設備的熱特性打開新的大門。從這項研究中獲得的見解有助于理解電池故障機理和開發更安全的電池、熱管理方案和診斷工具。

Yangying Zhu, Jin Xie, Allen Pei, Bofei Liu,Yecun Wu, Dingchang Lin, Jun Li, Hansen Wang, Hao Chen, Jinwei Xu, Ankun Yang, Chunlan Wu , Hongxia Wang, Wei Chen and Yi Cui, Fast lithium growth and short circuit induced by localized-temperature hotspots in lithium batteries, Nature communications, 2019, DOI:10.1038/s41467-019-09924-1

 相關評論
 
 
首 頁新聞中心企業E庫行業測評技術園地 行業標準質檢信息書刊推薦人才招聘技術論壇企業視頻電子商務快乐十分网页版缩水

Copyright 2008-2012 www.wfowd.com Inc. All rights reserved. 沈陽蓄電池研究所 版權所有

主辦: 沈陽蓄電池研究所 鉛酸蓄電池行業協會   遼ICP備11013066號

  本站已有人訪問 

遼公網安備 21019402000092號