ACS Energy Letters 用锂/锂对电池来无损研究锂离子电池过度充放电时的短路
【引言】
随着新一代的电子产品，如手机，平板和笔记本电脑和电动汽车对能量的要求越来越高，越来越多的科学家开始着手研究高容量、高倍率充放电的高性能锂离子电池。但是，随着电极材料由传统的正极钴酸锂和负极石墨转变为比容量更高或充电电压更高（对锂）的正极（磷酸铁锂，三元镍钴锰氧等）和比容量更高或放电电压更低（对锂）的负极（硅，锂等），电池单位容量的提升代表着电池内部存储的化学能的上升。随之而来的是锂电池的安全性能显得尤为重要。最近报道的特斯拉（Tesla）电动汽车起火和三星手机(Samsung Note 7)爆炸事件，将锂电池的安全性能推到了一个新的高度。
传统的测试锂电池安全性能的标准(例如由美国先进电池联合会或是由日本电池联合会提出的测试方法)基本上是“post-mortem”即，电池先受到各种各样的“abusive damage”，然后将电池打开检查里面的形貌变化。这种检测电池的方法的诟病是无法准确的得知电池在受到外部撞击时内部的确切变化。来自柏林工业大学的Sun Fu和弗来堡大学的Moroni Riko（共同通讯）近日在ACS Energy Letters发表了他们最新的用同步辐射X-ray无损三维表征锂电池短路的报道。
【成果简介】
X-ray tomography (断层扫描)是一种能无损的并且三维的表征样品的手段。在此实验中，他们制备了一个与些表征手段相配的概念锂电池。
【图文导读】
图1. 此项研究的装置示意图和概念电池
在此研究中，为了简化并且使得研究对象具有代表性，研究人员使用了锂/锂对电极组成的电池，使用由Celgard公司生产的三层隔膜。在此项工作中，研究了两个锂/锂对电池，一个是未循环的1号电池，另一个是短路的2号电池。
a 和b为概念电池，c 为装置示意图
图2. 所用的隔膜，1号电池的X-ray tomography结果和2号电池的电化性能
a 隔膜的俯视图，b 隔膜的横切面图，c 1号电池的横切面图，d 2号电池的电化学性能图
2号电池短路后，使用x-ray tomography来研究其内部的形貌变化，具体的内部变化如图3和图4所示。
图3. 2号电池内部图
图4. 2号电池内部示意图
【讨论+小结】
1、研究发现，在锂离子电池充放电过程中，会有很多的锂枝晶形成。在放电过程中，这些形成的锂枝晶会对隔膜产生很大的破坏。
2、在接下来的循环中，这些锂枝晶并不会被消耗掉。并且，在持续的充电过程中，会有新的锂枝晶形成。这些新的形成的锂枝晶会穿透已经变弱的隔膜，引起内部短路。
3、电池内部短路后，整体的充放电电池会聚集在这些“导通”正负极的枝晶上。这局域化的高强度电池引起了很大的焦尔热。
4、过高的焦尔热引起了一系列的副反应（如正极放出氧气）和产生了很高的温度。在这高温下，有机液体电解液会被引起点燃。如果没有合适的自我断路装置，整个电池就会持续燃烧，甚至爆炸。
文献链接
Study of the Mechanisms of Internal Short Circuit in a Li/Li Cell by Synchrotron X‑ray Phase Contrast Tomography（ACS Energy Lett.,2017, 10.1021/acsenergylett.6b00589）
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