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研究背景

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锂离子电池可以针对不同的应用定制成圆柱形、方形和袋形。不同的形状导致锂离子电池在实际应用中的机械-电气行为不同，这已成为防止机械滥用或日常磨损以避免许多灾难性电池故障的关键设计考虑因素。使用可拆卸电池的设备（例如笔记本电脑）通常会首选方形电池，因为可以实现电池的机械保护，而无需额外的空间来放置笨重的塑料外壳。然而值得注意的是，

电池不仅会受到外部冲击和动态载荷的影响，而且还会受到制造和运行过程中不可避免的内部缺陷的影响。

此外，电池的充放电过程伴随着与电极锂化和去锂化相关的体积变化，这种固有的电极变形和间隙可在电池工作期间进一步发展，从而导致影响电池安全性和性能的机械和结构变化。对于所有应用，电池的安全性都是重要的考虑因素。然而，目前针对影响方形电池安全性因素（包括电极间隙、循环次数、电解液分解或镀锂等）的研究十分有限。

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成果简介

】

近日，

美国

Exponent, Inc.

的

Ryan Spray

等人对在0℃、23℃和45℃下循环的方形电池进行了系统的研究。利用加速量热法（ARC）评估了具有电极间隙的电池的安全性；使用X射线计算机断层（CT）扫描监测间隙的演变。研究表明，即使在新鲜电池中，间隙也是固有的。

间隙会在循环过程中演变，并且与局部锂沉积和电解液分解密切相关，对于在

45℃

下循环的电池而言，间隙会更加严重。

然而，安全性并不仅仅与电池内部结构（如间隙）或循环后分解产物的数量有关；不同温度下的老化机理也起着重要作用。因此，了解方形电池在其使用寿命内的热稳定性对于降低许多应用中的风险非常必要。相关论文发表在国际著名期刊

Journal of The Electrochemical Society

上。

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内容详情

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1、未循环电池的

CT扫描

CT用于观察电池循环中间隙的演变和电解液的分解。循环前，原始电池的CT扫描显示，几乎所有电极绕组都表现出相邻电极之间的间隙。图1显示了两个任意未循环电池的二维平面和径向截面图。在两个电池中都清楚地观察到了电极间隙。 

图1 从CT扫描获得的两个代表性未循环电池的截面图

如图2所示，电极间隙预计会导致匹配电极之间的局部阻抗增加，从而阻止锂离子流过间隙区域。当电池经历相同的充电速率时，相邻区域会经历局部高充电速率，该速率超过了负极活性材料的倍率能力，从而导致在这些位置发生锂沉积。沉积的锂会与电解液发生反应，导致电解液干涸，进而增加阻抗和沉积锂量。因此，

这些间隙区域可能导致电极表面易于发生电解液分解、锂

沉积

和容量损失，或三者的结合。此外，其他次要后果

（如产气）

，也可能发生在电极间隙处。

图2 电池充电期间锂离子在正负极之间的流动示意图（a）无间隙，（b）有间隙

2、电池循环和

EIS表征

众所周知，

锂离子电池的性能和老化与温度有关

。

一方面，在低温下，锂离子在石墨中的扩散减慢

；

另一方面，温度升高会增加副反应

。图3显示了在指定温度下循环的每组电池的平均容量。在0℃下循环的电池，容量最初下降，几次循环后容量增加。容量的增加可能表明电解液对电极的浸润更完全。在23℃或45℃下循环的电池，容量没有增加，这与较高温度下更快的电解液润湿相一致。不同温度组电池的容量衰减率不同。如图3所示，在前400次循环中，0℃和23℃下的电池容量比4....