單粒子測量鋰離子電池的NMC和NCA陰極的電化學(xué)動(dòng)力學(xué)

【引言】

高能量密度鋰離子電池（LIB）已經(jīng)成為電子產(chǎn)品、電動(dòng)汽車和電網(wǎng)規(guī)模存儲(chǔ)領(lǐng)域的領(lǐng)先儲(chǔ)能技術(shù)，其中電池的性能作為關(guān)鍵因素，在本質(zhì)上取決于陰極和陽極化合物等重要組分。通常為了便于制造，這些材料的主要形式為含有許多納米晶的近球形形態(tài)的二次粒子。而在這個(gè)臨界長度范圍內(nèi)，粒子級(jí)別的行為主要是從宏觀電池的測量中推導(dǎo)出來的，而其中的電化學(xué)動(dòng)力學(xué)一直難以窺探。

【成果簡介】

近日，美國麻省理工學(xué)院蔣業(yè)明教授等研究人員通過微電極技術(shù)與最先進(jìn)的TXM成像相結(jié)合，首次直接測量到了粒子在充電和放電時(shí)的電化學(xué)動(dòng)力學(xué)。研究人員使用單顆粒電池進(jìn)行電化學(xué)阻抗譜（EIS）和恒電位間歇滴定試驗(yàn)（PITT）。此外，他們利用異位透射X射線顯微鏡（TXM）來表征顆粒水平處的斷裂作為充電狀態(tài)的函數(shù)。首次采用這些組合技術(shù)，首次對(duì)顆粒級(jí)別的速率限制性傳輸過程、寬范圍電荷狀態(tài)下的變化速率以及對(duì)循環(huán)引起的電化學(xué)機(jī)械應(yīng)力的依賴性進(jìn)行了表征。研究的結(jié)果提供了對(duì)離子插層化合物的中尺度動(dòng)力學(xué)機(jī)理的理解，從而可以指導(dǎo)高性能可充電電池的開發(fā)。該研究發(fā)表在期刊Energy ＆ Environmental Science，題為“Single－particle measurements of electrochemical kinetics in NMC and NCA cathodes for Li－ion batteries”。

【圖文導(dǎo)讀】

圖1． 電化學(xué)過程和測量示意圖

（a）復(fù)合電極中陰極粒子的電化學(xué)動(dòng)力學(xué)示意圖。關(guān)鍵步驟是粒子－電解質(zhì)界面處的電荷轉(zhuǎn)移以及粒子內(nèi)的鋰的大量運(yùn)輸。

（b）用于單粒子測量的電化學(xué)電池的示意圖。

（c）通過在聚焦離子束（FIB）裝置中使用Pt沉積將球形多晶NMC／NCA顆粒附著到絕緣樹脂涂覆的鎢探針尖端而制成的微電極。

（d）NMC和NCA單個(gè)顆粒的FIB橫截面的SEM，顯示了多晶微觀結(jié)構(gòu)。

圖2． 通過單顆粒EIS測量獲得的電池電壓與時(shí)間以及交換電流密度與NMC333和NCA顆粒的荷電狀態(tài)及其磁滯的代表性示例

（a）測試方案的例子，直徑為26．5 μm的NMC333顆粒。該表顯示每步中達(dá)到的電壓，放寬的OCV和對(duì)應(yīng)的SOC。

（b）將NMC333顆粒充電至4．6 V，使用所示的等效電路的單顆粒EIS數(shù)據(jù)以及擬合結(jié)果。

（c）NMC333和（d）NCA三個(gè)粒子顯示的j0對(duì)（弛豫）OCV的依賴性。

（e）在j0中觀察到充電和放電之間的遲滯，并且充電到相同的最大電壓（4．8V）時(shí)，對(duì)于NMC333和NCA明顯不同。

圖3． TXM層析圖

TXM層析圖顯示了在（a）NMC333和（b）NCA的各個(gè)顆粒的中點(diǎn)處的切片，所有顆粒具有?10μm的直徑，分別顯示顆粒處于原始狀態(tài)并且以C／3速率分別充電至3．9V，4．1V和4．5V后的圖像。

顆粒破裂的演變與（c）單位晶胞體積的百分比變化和NMC333與NCA的c／a比值隨容量的變化相關(guān)。

（d）從充電至4．5V（紅色點(diǎn)）后的TXM結(jié)果獲得的總表面積進(jìn)行校正，得到NCA顆粒vs． SOC的交流電流密度測量值j0，顯示出斷裂表面積的校正小于j0 在OCV（和SOC）的變化。

圖4． TXM切片圖與充放電行為

（a）充電至4．8V的PVdF涂覆的NCA顆粒的TXM切片顯示出明顯的徑向開裂，但具有比充入4．5V的裸NCA顆粒觀察到的更少的裂縫開口（圖3b）。

（b）PVdF涂覆的NCA在充電時(shí)表現(xiàn)的j0與OCV行為，其與裸NCA（圖2d和e）情況類似，但在放電期間極大地改善了j0的滯留。

圖5． 數(shù)據(jù)測量與擬合

（a）對(duì)于直徑為26．5μm的NMC333顆粒，測得的PITT電流與時(shí)間的關(guān)系數(shù)據(jù)和對(duì)應(yīng)的最小平方擬合，依次獲得動(dòng)力學(xué)參數(shù)。

（b）從PITT（黑色正方形）對(duì)OCV的依賴性與從EIS（紅色圓圈）得到的結(jié)果非常吻合。

（c）基于PITT測量的化學(xué)擴(kuò)散系數(shù)DLi與OCV的關(guān)系。

圖6． 電化學(xué)Biot數(shù)

（a）針對(duì)測得的26．5μm直徑的NMC333顆粒（頂部曲線）和縮放至10，5和2μm直徑的顆粒（下部曲線）的OCV，顯示了電化學(xué)Biot數(shù)B。

（b）假定典型平均粒徑為10μm，顯示100mV的超電勢可獲得的最大C倍率，速率限制分別假設(shè)是 j0或DLi；在充電電壓＜4．2V時(shí)，界面電荷轉(zhuǎn)移是限速的，而在更高的充電電壓下，混合控制占據(jù)優(yōu)勢。

【小結(jié)】

該項(xiàng)研究使用新型高電流分辨率濕法電池和TXM層析成像技術(shù)對(duì)鋰離子電池中使用的單輔助陰極顆粒的電化學(xué)動(dòng)力學(xué)和并存微結(jié)構(gòu)變化進(jìn)行了表征。隨著充電狀態(tài)的增加，NMC333和NCA都經(jīng)歷電化學(xué)誘導(dǎo)的斷裂，但后者發(fā)生了更大的損壞。對(duì)3D TXM圖像的量化表明，即使在高充電電壓（4．5－4．8V）下，表面積的增加也不能解釋觀察到的界面電荷轉(zhuǎn)移動(dòng)力學(xué)變化，表明NCA中性能下降的主要原因是損失電接觸。NMC333的交換電流密度隨著充電狀態(tài)的增加而增加102倍，這也不能由微結(jié)構(gòu)變化來解釋，并且歸因于陰極－電解質(zhì)界面處的（電）化學(xué)變化。Micro－PITT測量表明，在商業(yè)化粒徑為?10μm時(shí)，NMC333動(dòng)力學(xué)在低SOC下受界面限制，而在較高SOC下受限于混合界面／體擴(kuò)散。