通过夹具设计研究锂阳极/镍锰钴氧化物阴极软包电池受外部压力的影响

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锂金属电池 软包电池 外部压力 夹具设计 电池性能 循环寿命 电解质

锂金属电池中的压力效应：通过夹具设计优化电池性能

学术背景

随着电动汽车（EVs）和可再生能源的快速发展，高能量密度电池的需求日益增长。锂金属电池因其高理论容量（3860 mAh/g）和低电极电位（-3.04 V vs. SHE）被视为下一代电池技术的有力候选者。然而，锂金属电池的商业化面临多重挑战，包括锂枝晶生长、固体电解质界面（SEI）的不均匀形成以及电解质消耗等问题。这些问题在大尺寸电池中尤为突出，导致电池的循环寿命和安全性能下降。

为了解决这些问题，研究人员开始探索外部压力对锂金属电池性能的影响。外部压力可以改善锂的均匀沉积/剥离，减少锂枝晶的生长，并提高电解质的润湿性。然而，不同压力夹具设计对电池性能的具体影响尚未得到系统研究。本文通过设计多种外部压力夹具，深入探讨了不同压力和夹具设计对锂金属电池性能的影响，并揭示了其失效机制。

论文来源

本文由Corey M. Efaw、Zihan Wang（王子涵）、Hongxing Zhang（张红星）等多位作者合作完成，研究团队来自美国爱达荷国家实验室（Idaho National Laboratory）、布鲁克海文国家实验室（Brookhaven National Laboratory）、康涅狄格大学（University of Connecticut）等多个知名机构。论文于2025年4月18日发表在《Device》期刊上，DOI为10.1016/j.device.2024.100660。

研究流程及方法

1. 研究设计

本研究采用单层锂金属/镍锰钴氧化物（Li-NMC811）软包电池作为研究对象，探讨了不同初始压力（2 psi、10 psi、30 psi）和夹具设计对电池性能的影响。夹具设计主要包括恒定间隙（Constant Gap, CG）和恒定压力（Constant Pressure, CP）两类，并在CG设计的基础上增加了柔性泡沫（Foam）作为界面材料。

2. 实验方法

  • 电池组装：使用单侧NMC811作为正极，50微米厚的锂箔作为负极，Celgard 2325作为隔膜。电池在手套箱中组装，并充入由LiFSI、DME和TTE组成的局部高浓度电解质（LHCE）。
  • 夹具设计：
    • CG夹具：通过螺钉固定，确保上下板之间的间隙恒定。
    • CP夹具：通过弹簧维持压力，允许电池膨胀时调整间隙。
    • CG+Foam夹具：在CG设计的基础上增加柔性泡沫层，以均匀分布压力。
  • 电化学测试：电池在25°C的环境下进行循环测试，电压范围为2.8-4.4 V。测试包括两个形成循环和随后的老化循环，记录电池的容量、电压和压力变化。
  • 压力监测：通过安装在电池上的压力传感器实时监控电池的压力变化。
  • 后分析：通过扫描电子显微镜（SEM）、X射线光电子能谱（XPS）和同步辐射X射线衍射（XRD）等技术对电池的电极进行形貌和成分分析。

3. 数据分析

通过电化学分析（如微分容量dq/dv和微分压力dp/dv曲线）和有限元分析（FEA）模拟，研究不同夹具设计下的电池应力分布和失效机制。

主要结果

1. 恒定间隙（CG）与恒定压力（CP）夹具的比较

  • 循环性能：在10 psi的初始压力下，CG夹具的电池表现出更高的容量保持率，而CP夹具的电池容量迅速衰减。CG夹具的电池在250次循环后仍能保持80%以上的容量，而CP夹具的电池在100次循环后容量显著下降。
  • 压力变化：CG夹具的压力变化范围较大，反映了锂金属负极的厚度变化。CP夹具的压力变化较小，但允许电池大幅膨胀。
  • 失效机制：CG夹具的电池失效主要源于内部电阻的增加，而CP夹具的失效则由于锂枝晶的快速生长和不均匀SEI的形成。

2. 柔性泡沫的引入

  • 低压力下（10 psi）：CG+Foam夹具显著提高了电池的循环寿命，达到200次循环以上。柔性泡沫有效缓解了局部应力，改善了锂的均匀沉积。
  • 高压力下（30 psi）：CG+Foam夹具的表现明显劣于CG夹具，循环寿命不足100次。高压下，柔性泡沫导致局部热点，加速了电解质的消耗和正极颗粒的损坏。

3. 应力分布模拟

有限元分析显示，CG+Foam夹具在高压下形成了局部高应力区域，这些区域成为锂枝晶生长的热点，并导致电解质耗尽。而在低压下，柔性泡沫则能有效均匀分布压力，延长电池寿命。

结论与展望

本研究系统地探讨了不同夹具设计和外部压力对锂金属电池性能的影响，得出以下结论：

  1. CG夹具优于CP夹具：在高压下，能有效抑制锂枝晶生长，延长电池寿命。
  2. 柔性泡沫的适用性：在低压下，柔性泡沫能改善电池性能，但在高压下会导致局部热点，加速电池失效。
  3. 压力依赖性：夹具设计的选择应根据实际应用中的压力范围进行调整，以优化电池性能。

本研究为高压下锂金属电池的夹具设计提供了重要指导，并为其他高体积变化电极（如硅负极）的优化设计提供了参考。未来，研究者将进一步探讨多层软包电池中不同层间材料的影响，以推动高能量密度电池的商业化应用。

研究亮点

  1. 系统性研究：首次系统研究了不同夹具设计和压力对锂金属电池性能的影响，填补了该领域的研究空白。
  2. 多技术结合：通过电化学分析、压力监测和后分析技术，全面揭示了电池的失效机制。
  3. 实际应用价值：研究结果为锂金属电池的夹具设计提供了重要指导，有助于推动其大规模应用。

通过本研究的深入探讨，未来有望开发出更高效、更安全的锂金属电池，为电动汽车和可再生能源领域提供强有力的技术支持。