劳伦斯伯克利国家实验室Nature Energy：高通量技术量化锂沉积

第一作者：Zachary M. Konz

通讯作者：Bryan D. McCloskey

通讯单位：美国劳伦斯伯克利国家实验室

【研究亮点】

大多数商业锂离子电池的快速充电因石墨负极上的锂镀层难以检测并构成相当大的安全风险而受到限制。本文展示了简单的高通量循环技术，可量化来自200多个电池的不可逆锂沉积数据。作者首先观察能量密度、充电速率、温度和充电状态对锂沉积的影响，利用这些结果改进基于物理学的成熟电化学模型，并提供经验方程来预测沉积起始充电状态。然后探讨了锂沉积的可逆性及其与电解质设计的联系，以防止不可逆的锂积累。最后，作者设计了一种方法来量化石墨|LiNi_0.5Mn_0.3Co_0.2O₂ (NMC)电池的原位锂沉积，并与锂|石墨的结果进行比较。

【主要内容】

应对气候变化的迫切需要引发了对锂离子电池(LIB)需求的快速增长。电池材料和电池设计的快速创新对于满足从电子产品到电动汽车和大规模储能等各种应用的需求至关重要。复合石墨电极仍然是锂离子电池的通用组成部分，预计到2030年将占据主要市场份额。石墨电极的设计空间巨大，需要仔细选择负载量、孔隙率、粒径、粘合剂成分和电解质等参数，以满足寿命、工作温度、充电时间和制造方面的要求。无论设计和应用如何，石墨上的锂沉积反应都是一个性能和安全问题，因为会形成不可循环的“死”锂金属和盐。高通量建模可预测新型电解质的化学相容性和界面特性，以评估锂离子电池运行状态。目前高通量电池测试面临的挑战包括昂贵设备的使用受限、长循环测试时间、材料可用性有限、电池组装的高人工成本、复杂的分析方法和低效的数据处理。

鉴于此，美国劳伦斯伯克利国家实验室Bryan D. McCloskey教授团队开发并验证了高通量循环技术，以量化Li|石墨和石墨|NMC电池中的原位锂沉积，大量实验数据可提供对锂沉积行为、电化学模型改进、电池设计的物理理解以及电解质设计策略。研究人员将不可逆锂定义为镀锂过程中不可逆形成的物质的总和，例如孤立的金属锂和含锂的固体电解质界面。在整个工作中，作者指出了循环数据、建模和滴定进一步证实库伦失效率(CIE)用于不可逆镀锂量化的可靠性的方法。并对能量密度、充电速率、充电温度和锂沉积之间的权衡通过实验进行量化，并用于改进成熟的电化学模型。然后作者探索了不同快速充电条件下锂电镀的可逆性，并将对实验结果的理解应用于限制死锂形成的电解质和界面的开发。作者相信对不可逆锂沉积曲线和起始荷电状态的广泛研究将有助于量化新型电池设计或快速充电操作方法的权衡。本文提出的这些技术和大量实验数据有望被学术和工业研究人员采用，并不断进行调整以进一步缩短实验时间，考虑电池老化对锂沉积的影响，同时有效地应用到其他电池设计并研究新型电池化学。

Fig. 1 | Determining irreversible Li plating as a function of charge rate and length.

Fig. 2 | Irreversible Li plating and plating onsets with modelling.

Fig. 3 | Electrolyte engineering to reduce irreversible Li plating.

Fig. 4 | Full-cells electrolyte testing with dead Li estimation and titration.

Fig. 5 | Determining irreversible Li in full-cells, comparison with half-cells and titration validation.

【文献信息】

Konz, Z.M., Wirtz, B.M., Verma, A. et al. High-throughput Li plating quantification for fast-charging battery design. Nat Energy (2023).

https://doi.org/10.1038/s41560-023-01194-y