清华何向明&北航杨世春AFM：外部压力对商用锂离子电池析锂的影响
【文章信息】
Insight Understanding of External Pressure on Lithium Plating in Commercial Lithium-Ion Batteries
第一作者：于瀚卿
通讯作者：杨世春*，何向明*
单位：北京航空航天大学，清华大学
【研究背景】
锂离子电池作为电化学储能器件在当前商业应用中发挥着不可或缺的作用。随着电动汽车和可再生能源等领域的快速发展，对高能量密度、大尺寸电池的需求日益迫切。然而，析锂会直接影响电池寿命、安全性和快充性能。外部压力作为一种调控手段，可以通过改变电池内部形貌来抑制析锂。本综述系统地总结了外部压力对锂离子电池析锂的影响及其作用机制，探讨了利用压力调节的策略，强调了外部压力为缓解析锂问题的潜力。本文希望提供新的见解和视角，以改善锂离子电池析锂，从而提高电池的性能。
【文章简介】
近日，清华大学何向明研究员与北京航空航天大学杨世春教授等人，在国际知名期刊Advanced Functional Materials上发表题为“Insight Understanding of External Pressure on Lithium Plating in Commercial Lithium-Ion Batteries”的观点文章。该观点文章分析了外部压力对商用锂离子电池析锂的影响及其作用机制，同时对外部压力调节锂离子电池析锂进行了探讨。
图1. 外部压力对析锂的影响，并通过内部形貌和电化学变化探讨了机理
【本文要点】
要点一：外部压力对析锂的影响
外部压力过小可能导致锂离子电池发生析锂。对于刚性外壳的电池来说，0.1~1MPa的压力范围内通常可抑制析锂。但如果压力过低，特别是对于柔性外壳的电池，可能会出现局部析锂。适度的外部压力有利于锂离子电池的长期性能，甚至可有效抑制析锂。通过对电池内部应力分布的调控，适当施加外部压力可以减少锂枝晶的生长。过大的外部压力会增加电池内部应力，从而诱发析锂，并导致循环性能衰退。过度压缩可能会造成不可逆的锂沉积。压力分布的不均匀导致局部应力集中，增加析锂风险。电池结构的弯曲部分也会造成压力分布不均。不同电池型号对外部压力的要求也有所差异。一般而言，软包电池对外部压力的依赖性较大。
要点二：力学因素诱导析锂的机理
外部压力会改变隔膜和电极的孔隙率和迂曲度，从而影响电解质中离子的迁移路径。过大或不均匀的压力还可能导致电极颗粒聚集，增加内部应力，进一步阻碍离子的传输，促使析锂的发生。压力影响电极活性物质和集流体之间的接触情况，从而改变电子传输路径和接触电阻。压力过小会导致接触不良，增加电子传输阻力，而过大压力则可破坏电极的导电网络，形成非均匀电流分布，促成局部析锂。锂离子电池在制造过程中导致的结构异质性，例如边缘和凸凹，也会影响压力分布，加剧局部离子和电子的非均匀性传输。不同电池结构，例如圆柱和方壳电池，其异质性程度也不尽相同。
要点三：力学因素缓解析锂的机理
适当的外部压力可以压缩电极，减小微观尺度上的不均匀性，限制电极材料的体积变化，使压力分布更均匀，从而降低局部电流密度过高而造成的析锂风险。压力压缩电池构件可以提高活性物质、导电剂及集流体之间的接触状态，降低电子传输阻力，减少由于接触不良而引起的局部过电位。尤其对于体积变化大的硅负极材料，压力可以维持其堆积密度和结构稳定性。施加适当压力可以压缩电池内部空间，改善电解质与活性物质的接触，降低电荷转移电阻，有利于离子传输。压力还可以将副反应产生的气体挤压至电池边缘，避免直接接触电极表面，增大气体在电解质中的溶解度并促进气体扩散，减少气泡形成对离子迁移的阻碍。压力可以降低电极体积变化，缓解SEI膜生长和产气等副反应，从而间接降低析锂的风险。
要点四：外部压力缓解析锂的实际应用
不同型号的锂离子电池均存在各自的最佳压力值，可以最大限度地减少析锂发生。这个压力值也会随着电池使用条件和老化程度的变化而改变，需要针对具体电池进行全面分析。采用半刚性或柔性材料（例如泡沫层和气凝胶）来施加压力，可以使压力分布得更均匀，进一步降低析锂风险。通过压力传感和主动调节，可以实时监测电池表面压力并保持在最优水平，而这需要在电池系统中集成额外的传感器和调节装置。
图2. 压力对各种类型、多种场景的锂离子电池析锂的影响。
【文章链接】
Insight Understanding of External Pressure on Lithium Plating in Commercial Lithium-Ion Batteries
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202406966
【课题组介绍】
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