第一作者：Erik Lübke

通訊作者：Lukas Helfen,Jakub Drnec,Sandrine Lyonnard

通訊單位：法國勞厄-朗之萬研究所，法國格勒諾布爾歐洲同步輻射中心，格勒諾布爾-阿爾卑斯大學

論文速覽

鋰電池的性能會隨著時間而下降，這取決于特定應用中使用的化學成分和材料。要開發緩解策略并增加電池的使用壽命和穩定性，了解電池老化的根源是必要的。在采用硅等合金材料的電池中，老化現象尤為明顯，這些材料對于滿足日益增長的高能量密度需求至關重要。為了優化電池制造鏈中使用的資源和方法，理解影響電池生命周期的缺陷至關重要。

本研究旨在探索鋰離子電池性能隨時間下降的根本原因，特別聚焦在圓柱形高能量密度電池中硅-石墨負極受損的局部缺陷。通過中子和X射線聯合成像技術，研究人員觀察了電池內部隨時間變化的微觀結構變化，發現這些缺陷是因為電極濕法加工過程中局部硅富集造成的。

研究證實超過50微米的硅團簇會導致電池內部結構和功能受損的臨界缺陷尺寸，并指出在電極漿料質量控制中避免超過50微米團聚的重要性。本研究闡明了缺陷的起源及其關鍵性，為更好地預測和減輕不希望的老化和失效模式提供了機會。

圖文導讀

圖1：用于原位測量的中子和X射線計算機斷層掃描（NXCT）設置示意圖，以及通過不同成像方式獲得的電池橫截面的切片視圖。

圖2：經過700個循環后老化電池的局部變形和異質性的虛擬展開視圖。

圖3：通過高分辨率同步輻射X射線計算機斷層掃描（XCT）技術，進一步放大了電池中一個大缺陷的視圖，揭示了電池內部的明顯損傷。

圖4：SAXS分析納米結構材料的概念。

圖5：原位WAXS-CT觀察石墨鋰化過程中大缺陷區域的動態變化。

圖6：原始電池和老化電池中小硅團簇缺陷的大小和形狀，以及這些團簇的尺寸分布。

圖7：根據缺陷對局部鋰化狀態和電池完整性的影響，對缺陷進行了分類，以及不同尺寸的硅富集區對電池功能的影響。

總結展望

本研究通過多種斷層掃描技術對不同充電狀態和健康狀態的工業級硅基鋰離子電池進行了分析，發現了電池在初始活化后銅集流體結構的宏觀變形。這些變形區域幾乎沒有剩余的微孔性，充電不正常，鋰的擴散路徑受到明顯干擾。

進一步研究表明，這些區域存在硅的積累，以及靠近隔膜-負極界面的鋰積累。因此，可以得出結論，這些缺陷區域是由電極生產過程中引入的硅材料團簇引起的。首次鋰化時，最大的團簇會大幅膨脹，導致集流體凹陷，電池在使用前就浪費了容量。如果團簇尺寸低于某個閾值（本材料約為50微米等效直徑），負極則保持其完整性并不會引起機械電池損傷。

本研究中，由這種效應導致無法使用的原始材料會使總容量損失10%。然而，對于未來包含大量硅的高容量負極材料，預計會將導致更嚴重的問題。因此，建議特別關注防止負極漿料中的大型團簇形成，來避免在涂覆前產生這種內部損傷，這會導致容量浪費、資源浪費，并可能在形成周期中導致電池故障的一部分原因。

文獻信息

標題：The origins of critical deformations in cylindrical silicon based Li-ion batteries

期刊：Energy & Environmental Science

DOI：10.1039/d4ee00590b