【研究背景】

鋰離子電池（LIB）具有高能量密度和長壽命，是現代儲能方案中的主流技術之一。為了滿足對高性能鋰離子電池的需求，提高其安全性、耐用性和性能已變得至關重要，這一挑戰需要對先進電池管理系統（BMS）進行廣泛研究，包括監測電池健康狀態（SoH）的方法。SoH用于描述電池單元的老化程度，通過將其觀察到的比容量與初始容量進行比較而獲得，取決于電池組分（如電解質、電極材料、隔膜）和使用條件（充電倍率、充電狀態范圍和溫度）等。

隨著電池進行循環，其SoH會因各種降解機制而下降，例如電解質和固體電解質界面（SEI）分解、寄生反應、鋰電鍍和氣體析出等，這些機制會導致老化，并可能引發安全性問題，例如內部溫度升高、氣體析出，最終導致熱失控等。配備傳感技術（如外部和內部傳感器）的智能電池是一種有前途的解決方案，來提高耐用性和電化學性能，并深入了解降解機制。目前，這些傳感器經過測試和開發，用于實時監測關鍵參數，例如溫度，應變，氣體壓力和化學組成，將這些參數的演變與電化學性能和物理化學降解機制相關聯是電池行業當前面臨的挑戰之一，也是提高電池安全性和壽命的關鍵。顯然，全面了解集成傳感器如何影響局部反應，對于提高傳感器數據的準確性、優化智能電池以及建立先進BMS的標準至關重要。

【成果簡介】

近期，格勒諾布爾阿爾卑斯大學Sandrine Lyonnard?教授和Olivier Raccurt聯合?在Nature Communication上重磅發文：“Revealing how internal sensors in a smart battery impact the local graphite lithiation mechanism”的文章。本工作聚焦于配備了內部和外部傳感器的新型智能電池，為了了解傳感器的可靠性，作者進行了同步加速器原位XRD實驗，調查在各種（放電）充電倍率下，商用圓柱形鋰離子電池上的內部傳感器的存在對局部和全局的影響。研究發現，雖然電池整體的電化學性能不受影響，但傳感器會影響高（放電）充電倍率下的局部石墨鋰化動力學。這項研究表明：控制由內部傳感器引起的局部變形和定制這些傳感器的尺寸對獲得可靠的電池性能指標和優化智能電池的重要性，也對未來智能電池的發展具有重要指導。

【研究內容】

圖1. 單層電池的原位XRD實驗裝置

原位XRD實驗原理分析。為了理解探測傳感器對局部電極鋰化機制的影響，本工作研究了兩種石墨||NMC622鋰離子電池：（1）配備有參比電極和光纖的卷式配置的商業多層圓柱形電池和（2）使用來自相同的卷式和展開的商業電池的電極構建的單層電池。單層電池和商用多層電池的原位XRD實驗原理如圖1和2所示。單層電池用作參考電池以驗證原位XRD數據采集和分析方法，包括評估X射線暴露條件對反應過程的影響。在第一次充放電循環期間獲得的深度平均單層電池衍射圖對應于石墨鋰化階段的石墨（002）峰的預期演變。然而，當連續照射一個單點時，在高倍率下觀察到單層電池石墨電極上的局部束損傷。相比之下，在C/5下跨9個點進行XRD測量，同時在較高倍率下進行短暫控制測量沒有顯示出任何損壞跡象，因此適合于分析鋰化機制。面內變化通過比較在9個實驗點上獲得的原位XRD數據來評估在毫米級尺度下的鋰化狀態，以C/5充電之后，在完全鋰化狀態下的相分數的變化在探測區域上小于10%，顯示出在該尺度下非常均勻的電極行為。

圖2. 多層電池原位XRD及傳感數據

多層電池電化學參數和溫度數據之間的相關性分析。隨后，作者采用同步加速原位XRD技術對多層商用電池進行了表征，通過熱電偶在不同位置監測外部溫度，而通過光纖傳感器檢測和解碼系統監測內部溫度，以評估電化學參數（電池電壓和電極電勢）以及電池的內部和外部溫度的關系。在整個循環過程中，電池電壓、正負極電位、發光信號和外部電池溫度的變化都有很好的相關性。電化學數據收集標準低倍率（C/5）循環期間的數據，隨后選擇在電池內引起顯著發熱的條件（在2 C快速充電后，在3-6個循環期間進行4 C放電）。

首先，觀察到電池單元在高倍率下循環良好，這表明傳感器不影響電池的整體電化學響應，其電化學性能與未安裝儀器的多層電池相當，但是電容量降低了5%，這可能是由于參比電極和纖維所掩蓋的非活性區域的量所致，從歸一化容量的關系曲線可以看出，電池的性能與單層電池非常相似，這些結果證實了該組裝/成型工藝的可靠性，可以看到參比電極和光纖都在原位監測電池的內部參數。LFP參比電極在整個測量過程中表現出穩定行為，NMC 622電極電位在3~4.2 V范圍內的變化與預期行為一致，且在荷電狀態下，石墨電極的局部電位與鍍鋰電位相差甚遠，由參比電極幾何形狀引入的任何測量偏置將導致降低的電勢，因為由于在單元結構中插入物體可能增加離子擴散路徑，所以石墨的測量值遠高于0 V。以C/5的低倍率充電和放電不會導致任何溫度變化。相比之下，在高倍率下，外部和內部都產生了明顯的溫度升高，特別是在4 C放電期間，發光信號明顯增強，因為預期的發熱量與電流的平方成正比，根據光纖的發光-溫度響應，對應于大約10 °C和4 °C的溫度變化。關于外部溫度變化，在正電極接頭處觀察到最高溫度增加，峰值溫度為36.08 °C，對應于在4 C下放電期間與室溫相比溫度增加約16.5 °C。相比之下，在負電極接頭處記錄了4 C下的最小增加，達到30.9 °C的最高溫度。總體而言，在各種倍率下觀察到的外部溫度變化與電池外部溫度變化的結果一致。

該結果表明：（1）電池和傳感器兩者響應一致并且在原位同步加速器XRD實驗期間具有預期的行為；（2）當在2 C下對電池快速充電時，內部和外部溫度兩者的增加平均保持低于5 °C。基于上述測量結果，確定了最適合評估傳感器集成對局部石墨鋰化動力學的影響的條件：沒有溫度變化（< 1 °C）的C/5循環數據和溫度變化適中（< 5 °C）的2 C下的充電，以深入分析快速放電XRD數據，揭示局部加熱效應。

圖3. 充電倍率和電池設計對石墨鋰化動力學的影響

充電倍率和電池設計對石墨鋰化動力學的影響分析。為了研究商業多層電池幾何形狀對石墨鋰化動力學的影響，作者將在遠離傳感器的電池中心收集的衍射圖與單層電池的衍射圖進行比較，峰位置被確定為峰的質心（CoM）。電池在C/5下充電期間表現出類似行為，但由于多層電池的幾何形狀而具有微小差異，多層電池表現出稍微更寬的石墨峰。此外，在C/5下在SoC 32%和49%處觀察到的峰加寬表明在鋰化過程期間跨各層貫穿平面的不均勻性，所以需要更高分辨率來解析所有石墨電極層的q范圍偏移，量化給定單個層中的平均鋰含量，并潛在識別這些層與層不均勻性，需要通過平面掃描微衍射幾何結構技術。然而，使用平均電池數據清楚地看到在充電結束時，兩個電池達到非常相似的鋰化狀態，盡管與不同的電池設計相關的異質性，但兩種電池都實現了完全鋰化狀態。

在2 C下充電期間，裝有傳感器的多層電池和單層電池都表現出更寬的衍射峰，表明石墨電極內的Li+分布更不均勻，多層電池在2 C時其階段轉換顯示出明顯滯后。盡管如此，在較高SoC值（>55%）下，多層電池石墨峰的CoM再次變得與單層電池CoM相當，可能源于多層電池中的離子或電子限制，這是由于內部和外部嵌入式傳感器的應力分布和軋輥配置的內部溫度梯度造成的，不能排除由于嚴重的局部加熱導致的石墨鋰化的一些漂移。在較高倍率下石墨電極鋰化的差異表明多層電池中更不均勻的鋰化過程，這可能是由石墨層之間的SoC差異引起的。

圖4. 光纖對充電過程中局部鋰化機理的影響測試

內部傳感器對商用電池石墨電極鋰化的影響分析。最后，作者分析了光纖附近和參比電極區域的衍射圖，以了解它們對石墨電極局部鋰化的影響。C/5和2 C充電期間，通過在傳感器區域掃描獲得的衍射圖案與單元數據的中心進行比較，當C/5充電開始時，在參比電極區域、光纖附近和單元中心收集的衍射圖案之間的石墨(002)峰的輪廓幾乎相同，表明電池中所有位置的初始放電狀態都是相同的，并且平面內不同位置之間沒有內在差異。然而，在隨后循環中觀察到了一些不同之處，參比電極區域在脫鋰狀態下存在一個小的額外峰，歸屬于LiFeO4。除此之外，從充電過程中峰位置和形狀演變的相似性來看，該行為與在電池中心觀察到的行為非常相似，顯示了由于鋰化過程中的分層依賴性滯后而導致的一些峰加寬。對于光纖位置，在C/5充電期間，光纖位置和電池之間的峰形存在微小差異，歸因于這兩次測量之間的時間間隔。

此外，作者還觀察到光纖附近的局部石墨鋰化機制發生了顯著變化，在4.2 V的保持步驟中，SoC最終達到平衡，并且在光纖附近和遠離光纖的位置未觀察到SoC的顯著差異，當在2 C下充電時，光纖周圍的延遲石墨相的存在變得更加明顯，同時光纖附近的延遲石墨峰和正常石墨峰之間的明顯分離表明，在整個充電過程中，光纖周圍的區域和電池中心之間的SoC存在相當大的差異。這些結果表明，存在位于光纖周圍的“延遲石墨”區域，其中“延遲石墨”是活性但動力學受限的石墨相，在高倍率下脫鋰過程被嚴重延遲，揭示了靠近纖維的局部電阻和離子通道的變化。可見，光纖在局部尺度上對鋰化動力學具有相當大的影響，插入諸如200 μ m直徑的光纖之類的大體積物體會使電極層發生顯著變形，并增加其周圍電極之間的距離，導致局部延遲石墨的形成，相反較小且平坦的參比電極的存在會導致適度的變形，空間延伸有限，對局部檢測到的反應動力學影響有限。

【文獻總結】

綜上所述，這項研究通過原位同步加速器XRD技術深入探究了智能電池中傳感器的使用對電池性能的影響，得出以下結論：

（1）原位傳感器可以嵌入到大型商用電池單元中，而不會破壞電池單元架構或影響平均性能；

（2）如果內部傳感器的尺寸和縱橫比不會局部破壞分層幾何形狀，則內部傳感器可以有效地提供平均電池狀態的可靠測量；

（3）內部傳感器監測局部擾動區域，因此如果它使圓柱形堆疊過度變形，則不能表示電池行為。在此基礎上，進一步的實驗和建模對于理解光纖周圍的變形電極層和評估傳感器周圍的電流分布至關重要，通過量化局部不同動力學的形成、傳感器特性以及其附近的誘導變形和機械變化的程度之間的關系，以進一步評估擾動程度，并將其與設計和制造過程相關聯。通過了解光纖引起的變形，可以對光纖和電池其余部分周圍的鋰化動力學差異進行建模，并找到最小化傳感器擾動的尺寸和形狀標準。因此，調整傳感器的特性以達到對電池行為影響最小的目標對于優化智能電池至關重要，這將使SoC和SoH的估計更加準確，并有助于開發改進的BMS，將對電池行業的發展具有重要意義。

【文獻信息】

Revealing how internal sensors in a smart battery impact the local graphite lithiation mechanism; Nat. Commun. 2024, 15, 10258 (DOI: 10.1038/s41467-024-54656-6), https://doi.org/10.1038/s41467-024-54656-6

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