黄佳琦教授课题组在锂离子电池析锂检测方面取得重要研究进展

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近日，北京理工大学前沿交叉科学研究院黄佳琦教授课题组在锂离子电池析锂检测技术方面取得重要研究进展，相关成果以“Operando Quantified Lithium Plating Determination Enabled by Dynamic Capacitance Measurement in Working Li-Ion Batteries”为题发表在化学类顶级国际期刊《Angewandte Chemie International Edition》（《德国应用化学》，影响因子16.823）。本文的通讯作者为北京理工大学黄佳琦教授，清华大学张强教授，第一作者为北京理工大学前沿交叉科学研究院/材料学院博士研究生徐磊。
        锂离子电池运行过程中发生的负极析锂现象不仅会导致活性物质流失、界面阻抗增大、电池容量衰减等问题，还会诱发产热，造成电池热失控。因而，具备实时、原位、高灵敏度等特点的析锂检测方法对于研究析锂行为和提高电池安全性具有重要意义。
在近年来的研究中，一些表征手段如原位核磁、高能XRD等可以实现原位析锂检测，但是通常需要特殊的电池构型或者额外的检测设备。基于电化学信号的电学检测通常          较为简易且不受电池构型影响，但是一般具有滞后性，不具备指认析锂初始节点的能力。
北京理工大学前沿交叉院黄佳琦教授团队利用三电极技术解耦了锂嵌入和锂析出过程中负极表面的阻抗演变规律，研究了锂离子电池负极表面电容与活性表面之间关联关系，提出了一种基于单频率阻抗测量的动态电容测试方法，实现了对工作状态下负极表面析锂的监测和预警（图1）。

图1. 动态电容析锂检测方法的检测原理和检测效果示意。

         采用三电极阻抗方法对锂离子电池石墨负极锂嵌入和锂析出过程中的阻抗变化进行了原位监测。通过等效电路的建立，提出了基于单频率阻抗方法的表面电容测量技术。在析锂起始节点，枝晶状锂金属的产生了新的电极/电解液界面，增大了表面电容（图2）。

图2. 三电极技术用于研究石墨负极表面双电层电容的演变规律。

          表面电容和沉积形貌之间的关联在模型体系Li-Cu电池中进行深入研究，表面电容与活性表面积的线性相关性得以揭示，为析锂检测的定量化提供了依据（图3）。

图3. 模型体系验证表面电容行为与活性表面积的关联关系，通过动态电容方法实现析锂初始节点的指认。

          通过合理地选择特征频率，使得全电池中负极的电容信号免于正极信号的干扰，从而实现了动态电容方法在两电极电池中的应用（图4）。

图4. 两电极电池中的方法应用。

        动态电容析锂检测方法也在商业化软包电池中进行了验证，电池充电过程中锂金属的析出和生长以及放电过程中的活性锂金属再嵌入过程均得到指认，说明了该方法具有很大的实用化潜力。
       论文详情：Lei Xu, Ye Xiao, Yi Yang, Shi-Jie Yang, Xiao-Ru Chen, Rui Xu, Yu-Xing Yao, Wen-Long Cai, Chong Yan, Jia-Qi Huang*, Qiang Zhang*. Operando Quantified Lithium Plating Determination Enabled by Dynamic Capacitance Measurement in Working Li-Ion Batteries, Angewandte Chemie International Edition, 2022, e202210365.
       链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/anie.202210365
       附作者简介：黄佳琦，北京理工大学前沿交叉科学研究院教授，博士生导师，九三学社社员。主要开展能源界面化学研究。发表SCI论文200余篇，其中60余篇为ESI高被引论文，h因子95。担任中国颗粒学会青年理事会理事，J. Energy Chem.、InfoMat编委，Chin. Chem. Lett.、Green Energy Environ.、Energy Mater. Adv.青年编委。曾获评2016年中国化工学会侯德榜化工科技青年奖，2018年中国颗粒学会青年颗粒学奖，2020年北京市杰出青年科学基金等；2018–2021年连续入选科睿唯安全球高被引科学家。
        文章来源：北京理工大学