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上過Nature Energy的重要參數(shù)公布！孟穎教授詳解電池壓力裝置

時間：2022-07-26 來源：瀏覽：

上過Nature Energy的重要參數(shù)公布！孟穎教授詳解電池壓力裝置

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第一作者：Bingyu Lu

通訊作者：孟穎教授（Ying Shirley Meng）

通訊單位：加州大學(xué)圣地亞哥分校

在過去的四十年里，便攜式電子設(shè)備和電動汽車技術(shù)取得了巨大的發(fā)展。鋰（Li）金屬負(fù)極是開發(fā)下一代高能量密度電池的必然選擇。然而，鋰枝晶的形成將會造成短路問題和循環(huán)壽命大幅度減少，從而阻止鋰金屬被用于可充電電池。在此基礎(chǔ)上，利用外部堆疊壓力抑制枝晶生長的研究已經(jīng)被廣泛應(yīng)用，但不同的壓力對于不同工作環(huán)境的電池系統(tǒng)，有著不同的影響。在液態(tài)電池中，在較低的堆疊壓力（140 kPa以下）下，呈針狀結(jié)構(gòu)，而在較大的堆疊壓力（1400 kPa）下，形成柱狀結(jié)構(gòu)，致密且均勻，認(rèn)為形態(tài)的改善是高堆疊壓力下電池CE較好的原因。然而，性能提升與電池類型有關(guān)，有時高壓甚至?xí)璧K電池的性能。對全固態(tài)電池（ASSB）堆疊壓力的精確控制也對循環(huán)穩(wěn)定性至關(guān)重要，優(yōu)化后的堆疊壓力可使鋰金屬負(fù)極在室溫下穩(wěn)定循環(huán)，超過1000小時內(nèi)不發(fā)生短路。隨著大量的研究試圖確定鋰金屬負(fù)極循環(huán)的優(yōu)化壓力范圍，需要一個精心設(shè)計的壓力控制裝置來定量研究壓力對鋰金屬負(fù)極循環(huán)行為的影響。

在此，美國加州大學(xué)圣地亞哥分校孟穎教授（Ying Shirley Meng）等人設(shè)計了一個含液態(tài)和固態(tài)的鋰金屬電池壓力控制裝置，考慮到最小化電池間的變化，制造了一個可重復(fù)使用的拆分電池和壓力荷載電池，用于測試具有高精度（0.1 kPa）壓力控制的電化學(xué)電池，提供一個通用、標(biāo)準(zhǔn)化、原型電池設(shè)計，用于鋰金屬負(fù)極系統(tǒng)的基礎(chǔ)研究。同時，通過研究壓力對鋰沉積/剝離過程的影響，驗(yàn)證了所設(shè)計裝置的性能。

相關(guān)研究成果“ Methods-Pressure Control Apparatus for Lithium Metal Battery ” 為題發(fā)表在 Journal of The Electrochemical Society 上。

【核心內(nèi)容】

1.壓力控制裝置

通常而言，電池由兩部分（圖1）組成：一個聚醚醚酮（PEEK）模具（圖1a、d）和兩個鈦（Ti）柱塞（圖1b、c、e）。Ti柱塞在電池中具有雙重用途：1）作為集流體，2）施加壓力。因此，Ti具有高的導(dǎo)電性、高的機(jī)械強(qiáng)度和高的化學(xué)腐蝕穩(wěn)定性，因此其作為柱塞的材料，PEEK模具被用作一個容器來保持電化學(xué)電池在適當(dāng)?shù)奈恢谩Ｋ辛慵夹枰呔鹊臋C(jī)器拋光，以便Ti柱塞與PEEK模具內(nèi)壁之間的摩擦力最小，從而為液態(tài)電池循環(huán)提供良好的密封。

圖1.電池壓力裝置的尺寸標(biāo)注。（a）圓柱體的側(cè)視圖；（b）長鈦柱塞；（c）短鈦柱塞；（d）圓柱體的俯視圖；（e）壓力裝置的頂視圖；（f）壓力電池裝置電池的完整和橫截面視圖。

2.電池殼設(shè)計

殼體由兩部分（圖2）組成：三個螺紋桿（圖2a）和頂部/底板（圖2b）。電池和壓力載荷單軸放置在外殼內(nèi)（圖3a）。頂部/底部板疊加了電池和壓力荷載裝置，螺栓或螺母用于精確控制板施加的堆疊壓力。一個薄薄的PEEK盤嵌在電池所在的中心的頂部/底部板上，PEEK盤可以防止短路。

圖2. 測壓單元的殼體尺寸。（a）電池底部的側(cè)視圖；（b）套管頂部和底部的俯視圖。

3.荷載校準(zhǔn)

在使用前校準(zhǔn)測壓至關(guān)重要，使用100kN Instron 5982通用測試系統(tǒng)將一組已知載荷施加到測壓電池上。來自測壓電池的讀數(shù)首先在測壓電池范圍的末端進(jìn)行校準(zhǔn)，然后可以將測壓電池設(shè)置的精度與Instlon測試系統(tǒng)在整個測壓電池范圍內(nèi)施加的負(fù)載進(jìn)行比較，以確保校準(zhǔn)準(zhǔn)確，這種校準(zhǔn)方法能夠精確設(shè)置測載讀數(shù)，以對應(yīng)實(shí)際施加的壓力。

圖3.（a）使用通用測試系統(tǒng)校準(zhǔn)測載電池；（b）測壓設(shè)備的放大圖像。

4.堆疊壓力對Li||Cu電池沉積/剝離形貌的影響

液態(tài)電解質(zhì) ：Li||Cu電池只需要最低用量的電解液（~5μL）。組裝完成后，將壓力壓到電池上，然后由電池外殼固定，提供單軸堆疊壓力（圖4a）。需要仔細(xì)調(diào)整螺母，以施加所需的堆疊壓力。圖4b顯示了Li||Cu電池在不同壓力下液態(tài)電解質(zhì)中第一次循環(huán)的充放電曲線，CE與施加于電池上的外部壓力直接相關(guān)，這證實(shí)了壓力能夠有效促進(jìn)了金屬鋰的沉積和剝離過程。在不同的電流密度范圍內(nèi)下，首圈庫倫效率的變化趨勢如圖4c所示，可見堆疊壓力對Li||Cu電池的沉積/剝離CE有顯著影響。堆積壓力對鋰金屬沉積/剝離的積極影響主要有兩個原因： 1）鋰的初始成核階段的致密化；2）鋰金屬生長階段的強(qiáng)迫橫向生長。

固態(tài)電解質(zhì) ：圖4d進(jìn)一步說明了壓力對SSE中鋰沉積/剝離穩(wěn)定性的影響。由于鋰金屬的屈服強(qiáng)度低，鋰在高壓下能夠在SSE的孔內(nèi)流動，創(chuàng)造一個電子通道，可以在任何電化學(xué)測試之前使電池內(nèi)部短路。雖然固態(tài)電池中需要堆疊壓力通過防止空隙的出現(xiàn)，來實(shí)現(xiàn)固態(tài)電解質(zhì)和鋰之間良好的初始接觸，但由于高壓下縮短了鋰金屬電池短路的時間短電池。因此，對ASSB循環(huán)也應(yīng)采用優(yōu)化的堆疊壓力。

圖4.（a）具有液態(tài)電解質(zhì)或SSE的鋰金屬電池壓力控制裝置；（b）在高濃度醚類電解質(zhì)中，電流密度為2 mA cm ^-2 的Li||Cu電池的第一次沉積/剝離的電壓曲線；（c）在不同堆疊壓力下的CE；（d）在固態(tài)電池中不同堆疊壓力下，Li對稱電池的電壓曲線；（e）無負(fù)極的Cu||NMC622全電池在C/20倍率和堆疊壓力為350 kPa下的電壓曲線；（f）Li|Li ₆ PS ₅ Cl|LNO包覆NCA ASSB的電壓曲線。

【結(jié)論展望】

總而言之，本文設(shè)計了一種含液態(tài)或固態(tài)電解質(zhì)的鋰金屬鋰電池壓力控制裝置。該壓力控制裝置由一個電池、一個測壓裝置和一個金屬外殼組成。通過高精度的機(jī)器拋光，電池可以在其PEEK模具內(nèi)容納液態(tài)電解質(zhì)，并為電化學(xué)電池提供堆疊壓力。經(jīng)過仔細(xì)校準(zhǔn)后，壓力測壓電池可以原位監(jiān)測施加在電化學(xué)電池上的壓力，其分辨率高達(dá)0.1 kPa。然后使用該儀器研究壓力對液態(tài)和固態(tài)電池鋰沉積/剝離過程的影響。結(jié)果表明，鋰沉積/剝離的穩(wěn)定性與電池上施加的外部壓力直接相關(guān)。由于缺乏壓力控制，傳統(tǒng)的扣式電池不適合研究電極材料以外的變量。此外，希望看到更有創(chuàng)意和優(yōu)雅的實(shí)驗(yàn)電池設(shè)計，使研究人員能夠重復(fù)控制電化學(xué)中的“堆疊壓力”，以獲得對定量和可重復(fù)數(shù)據(jù)集的有意義的見解。本工作為鋰金屬電池壓力控制裝置的設(shè)計提供了指導(dǎo)。

【文獻(xiàn)信息】

Bingyu Lu, Wurigumula Bao, Weiliang Yao, Jean-Marie Doux, Chengcheng Fang, Ying Shirley Meng, Methods-Pressure Control Apparatus for Lithium Metal Battery , 2022, Journal of The Electrochemical Society.

https://doi.org/10.1149/1945-7111/ac834c

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2022-07-25