來(lái)源 | Nature Communications

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背景介紹

鋰離子電池是手機(jī)、電動(dòng)汽車(chē)等產(chǎn)品的核心儲(chǔ)能器件。特定運(yùn)行工況（如極端溫度和倍率）容易造成電池的過(guò)早衰減和熱安全問(wèn)題。深入理解真實(shí)世界的電池衰減是提升實(shí)際應(yīng)用中電池壽命、安全性及可靠性的關(guān)鍵，依賴于先進(jìn)的電池傳感技術(shù)。多種傳感信號(hào)已被用于電池監(jiān)測(cè)，如溫度、壓力、電化學(xué)、聲學(xué)及光學(xué)等，然而，大多數(shù)現(xiàn)有傳感技術(shù)具有復(fù)雜、嵌入式和定性的特點(diǎn)，難以用于長(zhǎng)期獲取商業(yè)電池的定量衰減信息。

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成果掠影

近期，南方科技大學(xué)曾玉強(qiáng)助理教授課題組在電池傳感領(lǐng)域取得新進(jìn)展，建立了電池衰減相關(guān)的熱導(dǎo)率模型，將電池?zé)釋?dǎo)率作為電池衰減的定量監(jiān)測(cè)指標(biāo)，提出了一種非嵌入式的電池衰減定量評(píng)估手段。在前期工作中，團(tuán)隊(duì)以電極熱導(dǎo)率為傳感信號(hào)，基于電極熱導(dǎo)率和鋰離子濃度之間的定量關(guān)系，量化了電極厚度方向的熱導(dǎo)率和鋰離子濃度的空間分布。在此基礎(chǔ)上，團(tuán)隊(duì)利用電池?zé)釋?dǎo)率對(duì)電池結(jié)構(gòu)變化的強(qiáng)依賴性，將其作為電池衰減的定量指標(biāo)。根據(jù)團(tuán)隊(duì)建立的電池?zé)釋?dǎo)率模型，電池的兩種主要衰減機(jī)制對(duì)其熱導(dǎo)率有著相反的影響：析鋰會(huì)降低負(fù)極顆粒與隔膜之間的緊縮熱阻而提高電池?zé)釋?dǎo)率，電解液消耗則會(huì)降低流體部分的有效熱導(dǎo)率而降低電池?zé)釋?dǎo)率。基于電池?zé)釋?dǎo)率模型，團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了熱傳感方案，用于電池衰減的非嵌入式監(jiān)測(cè)和定量評(píng)估。該方案由電池?zé)釋?dǎo)率模型標(biāo)定和熱導(dǎo)率實(shí)時(shí)測(cè)量?jī)刹糠纸M成。概念驗(yàn)證研究表明，由實(shí)時(shí)測(cè)量的熱導(dǎo)率變化及趨勢(shì)，可以反推電池衰減源的演變過(guò)程，進(jìn)而定量區(qū)分鋰沉積以及與副反應(yīng)和鋰沉積相關(guān)的電解液消耗。以不同熱管理?xiàng)l件下的電池快充為例，高溫抑制了鋰沉積導(dǎo)致的電池衰減，但加速了電解液的消耗，兩種衰減機(jī)制之間的平衡決定了電池的最佳運(yùn)行溫度。團(tuán)隊(duì)所開(kāi)發(fā)的熱傳感方法具有簡(jiǎn)單、非嵌入式和可量化的特點(diǎn)，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)真實(shí)世界的電池衰減，準(zhǔn)確量化不同機(jī)制對(duì)于衰減的影響，為基于非嵌入式熱導(dǎo)率傳感器的電池衰減定量評(píng)估打開(kāi)了大門(mén)，有望為電池管理及先進(jìn)電池設(shè)計(jì)提供有效反饋信息。研究成果以“Nonintrusive thermal-wave sensor for operando quantification of degradation in commercial batteries”為題發(fā)表于《Nature Communications》。

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圖文導(dǎo)讀

圖1 電池衰減的熱導(dǎo)率模型

圖2 電池?zé)釋?dǎo)率與電解液消耗量和鋰沉積量之間的定量關(guān)系

圖3 測(cè)量方案和數(shù)據(jù)分析流程圖

圖4 快充過(guò)程中電池衰減的定量監(jiān)測(cè)

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