ACS Energy Lett.锂电检测技术：锂镀层最初出现的检测，电压松弛时快速充电性能的监控- 大数跨境

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ACS Energy Lett.锂电检测技术：锂镀层最初出现的检测，电压松弛时快速充电性能的监控

科学材料站

2020-05-17

导读：本文作者重点介绍了差分开路电压分析(dOCV)的应用，以检测Li电镀在室温快速充电过程中最初的开始时间。还发现，在灵敏度为每克石墨4 mAh锂镀层的电池循环中，dOCV可以成功地检测到锂镀的起始，这表

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导读

本文作者重点介绍了差分开路电压分析(dOCV)的应用，以检测Li电镀在室温快速充电过程中最初的开始时间。还发现，在灵敏度为每克石墨4 mAh锂镀层的电池循环中，dOCV可以成功地检测到锂镀的起始，这表明该方法具有在线检测Li的商业前景。该实验提供了一种简单的检测出初始电镀锂的能力的方法，该方法将大大优化电池的安全性和反馈控制建模。

背景简介

1.锂电池电动汽车的现状及未来规划

创建一个以可再生能源为动力的交通系统是减少温室气体排放，改善城市空气质量，减缓气候变化的一个有希望的方案。这项任务将需要广泛应用各种储能和转换技术，特别是用于电动汽车的锂离子电池。尽管最近该方向有所发展,但消费者仍为其行驶里程少，充电速度慢而焦虑。最近美国能源部已设定一个雄心勃勃的目标——设计一个锂离子电池（LIB）,实现充电10分钟可行驶100英里。

2. 现有锂电池循环寿命预测技术及其不足

Severson等人利用机器学习的能力开发了一个模型，该模型可以使用前100个周期的放电电压数据预测周期寿命，真实值的9%以内。Zhang等人随后证明，只有在循环过程中任何一点收集的单一阻抗测量，才能提供关于剩余电池容量和使用寿命的信息。然而，这些基于学习的预测模型需要大量的训练数据，而且可能无法检测到异常的细胞衰竭。

3. 锂电镀产生机理及其危害

实时识别电池的安全状态是LIB快速充电技术面临的一个挑战。这包括在石墨电极上检测锂电镀反应，这种电池组件认为限制了快速充电的性能。LIB在充电过程中需要从正极释放Li⁺，并将Li⁺插入石墨负极。然而，在快速充电过程中，会产生较大的过电位和Li⁺浓度梯度，这可能会导致Li金属沉积到石墨表面，这一过程被称为Li电镀。在极端情况下，电镀锂会导致电池短路，引发电解液氧化和危险的热失控。由于锂电镀/剥离过程的低可逆性，以及可循环锂的减少和电池电阻随时间的增加会导致容量的长期降低，同时也会导致短期效率损失。

4. 简便锂电镀检测技术的意义

可靠的Li电镀检测技术将是宝贵的商用电池的安全保障，是快速充电研究的基本表征手段，也是预测电池长期性能的工具。简单的Li电镀检测技术也将填补研究和评估新型快速充电材料的能力上的空白。这包括研究更容易发生锂电镀的负载更高的石墨电极。

文章介绍

基于以上现状，Bryan D. McCloskey等在国际知名期刊ACS Energy Letter 上发表题为“Detecting the Onset of Lithium Plating and Monitoring Fast Charging Performance with Voltage Relaxation”的论文。Zachary M. Konz为本文第一作者。

在这项工作中，作者开发出了一种简单的，实时的方法用来检测使用dOCV快速充电的石墨/Li中锂电镀最初的开始时间。库仑效率用于验证Li镀层的存在，并估计该技术的检测极限，这是向商业应用迈出的重要一步。通过成功预测不同充电持续时间下长期循环的性能趋势证明了该技术的实用性。最后，又报告了一个新的循环过程，提供一个dOCV与其他电化学Li检测信号的直接比较。

该技术将是宝贵的商用电池的安全保障，快速充电研究的基本表征手段，也是预测电池长期性能的工具。该技术将填补研究和评估新型快速充电材料的能力上的空白。这包括研究更容易发生锂电镀的负载更高的石墨电极。

图一.锂电镀和随后的石墨电压松弛。

(左)使用石墨负极充电的锂离子电池。在快速充电的条件下，会发生不需要的镀锂反应。(右)静止过程中的Li化学插层，如图所示为OCV过程中Li包裹的LixC₆粒子在不同时刻的演化，由于Li⁰ /Li⁺和LixC₆/Li⁺的平衡电压不同，导致了在OCV下的的独特特征。

文章链接:

Detecting the Onset of Lithium Plating and Monitoring Fast Charging Performance with Voltage Relaxation

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsenergylett.0c00831

老师简介:

McCloskey, Bryan D. Assistant Professor

B.S. Colorado School of Mines (2003); Ph.D., University of Texas at Austin (2009); Postdoctorate (2009-2011) and Research Staff Member (2012-2013), IBM Almaden Research Center; VW/BASF Science Award Electrochemistry (2015); Early Career Analytical Electrochemistry Prize of the International Society of Electrochemistry (2015); National Academy of Engineering US Frontiers of Engineering Symposium Participant (2015); IBM Outstanding Technical Achievement Award (2013); NSF Graduate Research Fellowship (2005-2008); NSF CAREER Award (2017-2022).

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