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上过Nature Energy的重要参数公布！孟颖教授详解电池压力装置

时间：2022-07-26 来源：浏览：

上过Nature Energy的重要参数公布！孟颖教授详解电池压力装置

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第一作者：Bingyu Lu

通讯作者：孟颖教授（Ying Shirley Meng）

通讯单位：加州大学圣地亚哥分校

在过去的四十年里，便携式电子设备和电动汽车技术取得了巨大的发展。锂（Li）金属负极是开发下一代高能量密度电池的必然选择。然而，锂枝晶的形成将会造成短路问题和循环寿命大幅度减少，从而阻止锂金属被用于可充电电池。在此基础上，利用外部堆叠压力抑制枝晶生长的研究已经被广泛应用，但不同的压力对于不同工作环境的电池系统，有着不同的影响。在液态电池中，在较低的堆叠压力（140 kPa以下）下，呈针状结构，而在较大的堆叠压力（1400 kPa）下，形成柱状结构，致密且均匀，认为形态的改善是高堆叠压力下电池CE较好的原因。然而，性能提升与电池类型有关，有时高压甚至会阻碍电池的性能。对全固态电池（ASSB）堆叠压力的精确控制也对循环稳定性至关重要，优化后的堆叠压力可使锂金属负极在室温下稳定循环，超过1000小时内不发生短路。随着大量的研究试图确定锂金属负极循环的优化压力范围，需要一个精心设计的压力控制装置来定量研究压力对锂金属负极循环行为的影响。

在此，美国加州大学圣地亚哥分校孟颖教授（Ying Shirley Meng）等人设计了一个含液态和固态的锂金属电池压力控制装置，考虑到最小化电池间的变化，制造了一个可重复使用的拆分电池和压力荷载电池，用于测试具有高精度（0.1 kPa）压力控制的电化学电池，提供一个通用、标准化、原型电池设计，用于锂金属负极系统的基础研究。同时，通过研究压力对锂沉积/剥离过程的影响，验证了所设计装置的性能。

相关研究成果“ Methods-Pressure Control Apparatus for Lithium Metal Battery ” 为题发表在 Journal of The Electrochemical Society 上。

【核心内容】

1.压力控制装置

通常而言，电池由两部分（图1）组成：一个聚醚醚酮（PEEK）模具（图1a、d）和两个钛（Ti）柱塞（图1b、c、e）。Ti柱塞在电池中具有双重用途：1）作为集流体，2）施加压力。因此，Ti具有高的导电性、高的机械强度和高的化学腐蚀稳定性，因此其作为柱塞的材料，PEEK模具被用作一个容器来保持电化学电池在适当的位置。所有零件都需要高精度的机器抛光，以便Ti柱塞与PEEK模具内壁之间的摩擦力最小，从而为液态电池循环提供良好的密封。

图1.电池压力装置的尺寸标注。（a）圆柱体的侧视图；（b）长钛柱塞；（c）短钛柱塞；（d）圆柱体的俯视图；（e）压力装置的顶视图；（f）压力电池装置电池的完整和横截面视图。

2.电池壳设计

壳体由两部分（图2）组成：三个螺纹杆（图2a）和顶部/底板（图2b）。电池和压力载荷单轴放置在外壳内（图3a）。顶部/底部板叠加了电池和压力荷载装置，螺栓或螺母用于精确控制板施加的堆叠压力。一个薄薄的PEEK盘嵌在电池所在的中心的顶部/底部板上，PEEK盘可以防止短路。

图2. 测压单元的壳体尺寸。（a）电池底部的侧视图；（b）套管顶部和底部的俯视图。

3.荷载校准

在使用前校准测压至关重要，使用100kN Instron 5982通用测试系统将一组已知载荷施加到测压电池上。来自测压电池的读数首先在测压电池范围的末端进行校准，然后可以将测压电池设置的精度与Instlon测试系统在整个测压电池范围内施加的负载进行比较，以确保校准准确，这种校准方法能够精确设置测载读数，以对应实际施加的压力。

图3.（a）使用通用测试系统校准测载电池；（b）测压设备的放大图像。

4.堆叠压力对Li||Cu电池沉积/剥离形貌的影响

液态电解质：Li||Cu电池只需要最低用量的电解液（~5µL）。组装完成后，将压力压到电池上，然后由电池外壳固定，提供单轴堆叠压力（图4a）。需要仔细调整螺母，以施加所需的堆叠压力。图4b显示了Li||Cu电池在不同压力下液态电解质中第一次循环的充放电曲线，CE与施加于电池上的外部压力直接相关，这证实了压力能够有效促进了金属锂的沉积和剥离过程。在不同的电流密度范围内下，首圈库伦效率的变化趋势如图4c所示，可见堆叠压力对Li||Cu电池的沉积/剥离CE有显著影响。堆积压力对锂金属沉积/剥离的积极影响主要有两个原因： 1）锂的初始成核阶段的致密化；2）锂金属生长阶段的强迫横向生长。

固态电解质：图4d进一步说明了压力对SSE中锂沉积/剥离稳定性的影响。由于锂金属的屈服强度低，锂在高压下能够在SSE的孔内流动，创造一个电子通道，可以在任何电化学测试之前使电池内部短路。虽然固态电池中需要堆叠压力通过防止空隙的出现，来实现固态电解质和锂之间良好的初始接触，但由于高压下缩短了锂金属电池短路的时间短电池。因此，对ASSB循环也应采用优化的堆叠压力。

图4.（a）具有液态电解质或SSE的锂金属电池压力控制装置；（b）在高浓度醚类电解质中，电流密度为2 mA cm ^-2 的Li||Cu电池的第一次沉积/剥离的电压曲线；（c）在不同堆叠压力下的CE；（d）在固态电池中不同堆叠压力下，Li对称电池的电压曲线；（e）无负极的Cu||NMC622全电池在C/20倍率和堆叠压力为350 kPa下的电压曲线；（f）Li|Li ₆ PS ₅ Cl|LNO包覆NCA ASSB的电压曲线。

【结论展望】

总而言之，本文设计了一种含液态或固态电解质的锂金属锂电池压力控制装置。该压力控制装置由一个电池、一个测压装置和一个金属外壳组成。通过高精度的机器抛光，电池可以在其PEEK模具内容纳液态电解质，并为电化学电池提供堆叠压力。经过仔细校准后，压力测压电池可以原位监测施加在电化学电池上的压力，其分辨率高达0.1 kPa。然后使用该仪器研究压力对液态和固态电池锂沉积/剥离过程的影响。结果表明，锂沉积/剥离的稳定性与电池上施加的外部压力直接相关。由于缺乏压力控制，传统的扣式电池不适合研究电极材料以外的变量。此外，希望看到更有创意和优雅的实验电池设计，使研究人员能够重复控制电化学中的“堆叠压力”，以获得对定量和可重复数据集的有意义的见解。本工作为锂金属电池压力控制装置的设计提供了指导。

【文献信息】

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