甲醇燃料电池:锂电池自发热对枝晶的影响应该是辩证的。

2019-08-14| 分类: 甲醇燃料电池 | 浏览: 697


    研究背景

锂电池的发展满足了对移动储能设备的需求,极大地丰富了人们的生活水平。然而,锂电池引起的安全隐患已经敲响了它的发展:电化学反应中锂金属产生的锂枝晶会刺破隔膜并导致电池短路,引起爆炸严重。因此,锂金属的保护受到越来越多的关注。表面工程,机械应力,复合材料等方面可以有效抑制树突的生长。最近的研究发现,增加电流密度或提高反应温度可以有效抑制树突的生长,但相关的反应机理尚不清楚,具体的反应过程无法理解。鉴于此,关于电流密度和温度对锂枝晶的影响的理论研究尤为迫切。

结果简介

2019年3月29日,ACS Energy Letters发表了一篇题为“热休克诱导锂枝晶愈合的观点”的文件。这项工作由卡内基梅隆大学的Venkatasubramanian Viswanathan教授(通讯作者)和Zijian Hong(第一作者)完成。锂枝晶长期以来阻碍了可充电锂电池的发展。然而,根据最新发现,电池的自发热可以抑制锂枝晶的生长。为了探索这一现象,研究人员将非线性相场模型与能量平衡方程相结合,并使用开放式MOOSE软件包模拟了该过程。发现自热加热与电化学反应屏障和离子扩散屏障有关。较大的电化学反应势垒加速了树枝状晶体的形成,较大的扩散阻挡层减缓了枝晶的形成。

图形阅读 锂电池自发热对枝晶的影响应该是辩证的。

    背景

锂电池的发展满足了移动储能的的's的其中的's的:。电化学反应中锂金属产生的锂枝晶会刺破隔膜并导致电池短路,引起爆炸严重因此,锂金属的保护受到越来越多的关注表面工程,机械应力,复合材料等方面可以有效抑制树突的生长。最近的研究发现,增加电流密度或提高反应温度可以有效抑制树突的生长,但相关的反应机理尚不清楚,具体的反应过程无法理解。鉴于此,关于电流密度和对枝晶的影响的

结果简介

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图形阅读

图1无阻隔树枝状生长动力学

(ac)锂电沉积后的形态200 mV过载为45.60和80μM;米;

(df)电沉积厚度为105μm,60,100和160mV过量后的锂电极的形态。

首先,考虑电化学反应和扩散速率与温度无关的情况。动力学演化的结果如图1所示。可以发现,电沉积的平均厚度为45μm。 m,发生枝晶成核反应,这些原子核长时间长成紧密的长丝,然后成为长针状树枝状晶体。树枝状晶体的生长是由于平均反应速度大于传输速度和局部向上扩散导致凹陷区域中离子浓度的不规则分布的事实。长树突的形成缩短了传输路径并进一步促进了生长。用不同的过电位进行模拟:过电位越大,树枝状晶体的长度越大,但垂直尺寸随着过电位的增加而减小。

图2的扩散阻挡层为0.15eV,在非反应性阻挡层下生长200mV过剩电位的动力学

电沉积的厚度锂(ac)为45,60和80μM; m后的形态演变;

(df)温度变化,锂离子的局部迁移率和电池中间的界面速度;

(g)电沉积80μ m空间分辨率接口速度;

(h)界面最大速度和垂直位置Y的函数。

如图2所示,研究人员探讨了超高潜力的影响关于自热加热下树枝状生长动力学的研究。在0.15eV扩散势垒和0eV反应势垒之下,树枝状晶体的形成时间显着延迟,并且存在空间均匀的界面生长速率。虽然沉积厚度增加到80μm,但沉积物是致密的,这表明沉积物是致密的。过电位可以抑制枝晶的生长。进一步的结果表明,在200mV的过电位下,反应产生的温度可达350K。随着温度的升高,锂离子的迁移率增加一倍,大大提高了离子迁移速度,延缓了浓度本地。时间过去了。因此,通过自加热过程增加高温下的离子传输可以显着延迟离子生长。在0.15eV的扩散势垒下,界面速度的变化非常小;当扩散势垒为0eV时,随着枝晶的生长,枝晶的尖端具有更高的界面速度,这使得枝晶的生长更有利并且难以停止。 。该结果清楚地表明,由自加热引起的传输性质的变化可以使界面的生长速率均匀,并且锂金属可以以更高的速率/温度稳定地沉积。 锂电池自发热对枝晶的影响应该是辩证的。

    背景

锂电池的发展满足了移动储能的's的其中的's的:。电化学反应中锂金属产生的锂枝晶会刺破隔膜并导致电池短路,引起爆炸严重因此,锂金属的保护受到越来越多的关注表面工程,机械应力,复合材料等方面可以有效抑制树突的生长。最近的研究发现,增加电流密度或提高反应温度可以有效抑制树突的生长,但相关的反应机理尚不清楚,具体的反应过程无法理解。鉴于此,关于电流密度和对枝晶的影响的

结果简介

2019年3月29日日本ACS能源快报发表了一篇题为“题为休克诱导的晶的观点”的文件。这项工作由大学的kkk wan wan wan wan wan wan wan ij ij ij ij ij ij ij ij ij ij ij ij ij ij期以来阻碍了可充电锂电池的发展。然而,根据最新发现,电池的自发热可以抑制锂枝晶的生长。为了探索这一现象,研究人员将非线性相场模型与能量平衡程相结合,并使用开放式MOOSE软件包模拟了该过程。发现自热加热与电化学反应屏障和离子扩散屏障有关。较大的电化学反应势垒加速了树枝状晶体的形成,较大的扩散阻挡层减缓了解的形成。

图形阅读

图1无阻隔树枝状生长动力学

(ac)锂电沉积后的形态200毫伏过载为45.60和80μM;米;

(df)电沉积厚度为105μm,60,100和160mV过量后的锂电极的形态。

首先,考虑电化学反应和扩散速率与温度无关的情况。学演化的结果如图1所示。可以发现,电沉积的平均厚度为45μm.m,发生枝晶成核反应,这些原子核长时间长成紧密的长丝,然后成为长针状树枝状晶体。树枝状晶体的生长是由于平均反应速度大于传输速度和局部向上扩散导致凹陷区域中离子浓度的不规则分布的事实。长树突的形成缩短了传输路径并进一步促进了生长。用不同的过电位进行模拟:过电位越大,树枝状晶体的长度越大,但垂直尺寸随着过电位的增加而减小。

图2的扩散阻挡层为0.15eV,在非反应性阻挡层下生长200mV过剩电位的动力学

电沉积的厚度锂(ac)为45,60和80μM;米后的形态演变;

(df)温度变化,锂离子的局部迁移率和电池中间的界面速度;

(g)电沉积80μ米空间分辨率接口速度;

(h)界面最大速度和垂直位置Y的函数。

如图2所示,研究人员探讨了超高潜力的影响关于自热加热下树枝状生长动力学的研究。在0.15eV扩散势垒和0EV反应势垒之下,树枝状晶体的形成时间显着延迟,并且存在空间均匀的界面生长速率。虽然沉积厚度增加到80微米,但沉积物是致密的,这表明沉积物是致密的。过电位可以抑制枝晶的生长。进一步的结果表明,在200mV的的过电位下,反应产生的温度可达350K。随着温度的升高,锂离子的迁移率增加一倍,大大提高了离子迁移速度,延缓了浓度本地。时间过去了。因此,通过自加热过程增加高温下的离子传输可以显着延迟离子生长。在0.15eV的扩散势垒下,界面速度的变化非常小;当扩散势垒为0eV时,随着枝晶的生长,枝晶的尖端具有更高的界面速度,这使得枝晶的生长更有利并且难以停止。果清楚地表明,由自加热引起的传输性质的变化可以使界面的生长速率均匀,并且锂金属可以以更高的速率/温度稳定地沉积。

Fig。 3扩散势垒为0.15eV,在电化学反应势垒下没有过电位的影响

(ac)电沉积在60,100和160 mV过电位接口厚度为105μm。米;

(d)不同过电位下电沉积过程中电池的平均温度;

(e)沿电池中部切断电流105&mu沉积后的局部迁移率。米;

(f)沿电极/电解质界面的最大界面速度。

研究人员进一步研究了当扩散势垒为0.15 eV且电化学反应势垒为0 eV时,过电位对传热和传质的影响。如图3所示,模拟结果表明,随着过电位的增加,枝晶的垂直长度减小。与60和160 mV相比,在100 mV的过电位下枝晶长度略长。这是因为低于100mV的沉积速率远低于160mV的沉积速率,这使得可以实现相同的沉积厚度和更长的沉积时间,从而导致枝晶更长。在60 mV的过电位下,树枝状晶体的成核时间更长,从而减少树枝状晶体的生产时间。已经表明,超过100mV的过电位,温度上升最小,并且在更高的过电势下,温度迅速增加。随着温度升高,扩散迁移率也迅速增加。在不同的过电位下,研究人员绘制了沿金属/电解质界面的最大界面速度,并且当过电位低于200 mV时,在电沉积期间表现出良好的界面稳定性。通常,当电化学反应势垒远小于扩散势垒时,可以在大的过电位下实现枝晶生长的自加热抑制。

图4反应势垒和枝晶长度的生长动力学 自电池自发热对枝晶的影响应该是辩证的。

    背景

电池式开发展。电化学反应,金属生产,食用晶体穿孔膜并联电池短路,诱发爆炸,失效原因,金属保护,克服和克服表面加工,机械应力,复合材料等。突然增长。最近的研究和开发,增加电流密度或摇摆反应温度可以有效抑制,但对具体的反应过程有一个难以理解的理解。此于此,关于电流密度和对枝晶的影 <的

结果简介

2019年3月29日“主题。这是一种类似工作的大学。然而,最近的发展,电池般的自发热,它可以抑制晶体的生长。寻找这种现象,研究人员一般非线性市场模型能力平衡阶段组合,并行使用开放式MOOSE包裹包络过程。发现自动加热加热和化学反应应用。加速形成电化学反应,形成树枝状晶体,并形成比较扩散阻挡层。

图。阅读

图1非交叉营养生长动态

(ac)大米;

(df)电极厚度为105μm,60,100和,160mV过载。

从头开始,考虑化学反应速率和与温度无关的信息。学术成果的结果。可以发现,电子的平均厚度为45μm.m,发生枝晶成核反应,这些原子核长时长长紧密的长丝,然后成为长针状树枝状晶体。枝晶状生长速率是平均反应速率,大转移速率和扩散速率的局部改善。长期形成短距离传输路线。不等的过电位进展模型:过电位超大,枝状长度过大,但垂直尺度过度潜在地增加了形而上学。

图2的扩散防挡层为0.15eV,非反应性阻抗挡底下生长200mV超电位的动力

电子厚度(ac)为45, 60μ80μM;美国发育后变化;

(df)温度变化,远程局部传递速率,电池界面速度总和;

(g)电80μ美国空间分数接触速度;

(h)界面最大速度和垂直位置Y样函数。

如图2所示,研究人员的研究已经完成。在0 EV反应时0.15eV,显示出树枝状晶体的形成时间,并且空间的均匀生长速率是均匀的。但是,细节水平的提高只有80。过电位可以抑制分支生长。渐进式结果,200mV过电位,抗生产温度达到350K。胶粘剂温度上升,远程传输率提高1倍,Odaibo高丽转移率,延期完成。时间结束。因此,通过自加热过程增加高温度的离子传输可以显着延延迟子生长。在0.15 eV分散下,界面速度变化非常小;在0 eV时,不定枝样生长,分枝状尖端具有较高的界面速度,并且使用枝状生长更有利停在同一时间。它还可用于表示温度的影响,改变自感热传递的温度,并提高生长速率/界面温度。

图。 3电流0.15 eV,在电流过电压电位效应(p)(ac)电流60,100和160 mV过电位结厚度105μm。美国;

(d)非重合电位期间的平均电池温度,

(e)中心电池切割电流105μ美国;

(f)电极/电解质界面的最大界面速度。

研究人员的进展在0.15 eV时完成,电化学反应为0 eV。 3个数字,结果陈述,到达过电位增加,分支垂直长度小。 60-160 mV相比,100 mV过电位分支晶体长度。这些因素导致100mV的低速率和160mV的低速率,可以实时使用。在超过60 mV的过电位时,树枝状晶体的成核时间长度,干骺端的表型晶体的生产时间。已宣布,超过100 mV过电位,最小温度过高,并联过热,温度快速升高。到达温度高并且扩散速率快速增加。在存在上覆电位的情况下,研究人员已完成。当电位小于200 mV时,金属/电解质界面处的最大界面速度。通常,当化学反应小时,它可以抑制在过电位下由实际晶体的生长引起的自热。

图4反应势垒和枝晶长度的生长力学

(ac)形成后200mV,45,60和80μm锂沉积厚度的过电压;

(df)施加60,100和160mV的过电压,形态后的沉积厚度为105&μm;

(g)不同反应障碍下的枝晶长度和电沉积长度

(h)不同的反应障碍在不同的过电压下电沉积后的树枝状长度为90μm。

基于上述结果,研究人员研究了具有大电化学反应屏障的树突的生长速率,如图4所示。在大的过电势下,树枝状晶体的成核速度比没有电化学反应屏障的情况要快。在平均沉积厚度为45μm之后观察到各种致密的树枝状核,随后快速生长和树枝状生长。在相同的生长条件下,枝晶的长度和数量甚至大于没有障碍的长度和数量。这是因为此时锂离子的迁移率高,并且可以供应更多的锂以形成更多的树枝状晶体。随着温度升高,电沉积速率的增加超过锂离子传输的增加,导致枝晶长度的显着增加。如图4c所示,当电化学反应屏障和施加的过电压都相对较高时,形成空隙。电沉积后60秒发生成核。由于离子传输限制,只有少数枝晶可以生长。在这种情况下,热促进锂离子的自扩散和迁移,并且枝晶形态紧凑。沉积80秒后,两个相邻的枝晶熔合在一起,在树枝状结构的“瓶颈”中形成夹杂物。包含物形成进一步阻断了离子传输途径。它不断壮大。最初,两个相邻枝晶的边界处的界面速度非常高,并且由于夹杂物形成导致锂离子消耗,界面速度迅速衰减。最终,当传输路径关闭并释放锂离子时,空隙区域中的界面速度变得可以忽略不计。如果在锂电极上形成空隙,则可能发生“死锂”并且可能降低电池容量。

为了进一步研究锂电化学反应屏障的影响,研究人员将树枝状长度作为各种过电压下平均沉积厚度的函数。当电化学反应阻挡层小于扩散阻挡层时,通过在高过电压下自加热来抑制枝晶生长。然而,如果电化学反应屏障比扩散屏障大得多,则温度的升高显着增加树枝状晶体的生长速率。本文的研究人员已经证明了树枝状生长的复杂性,在较高温度/速率下的树枝状生长主要取决于屏障的相对大小。锂电化学反应活化屏障可分为三个部分。 (1)锂离子从溶剂化络合物释放的去溶剂化阻挡层,(2)沉积阻挡层,附着在金属表面阻挡层上的锂阻挡层,(3)电荷转移阻挡层。电子移动到电极表面。这三个屏障高度依赖于电解质组成和浓度,表面粗糙度和表面缺陷/杂质浓度,以及在电极和电解质之间形成的固体电解质界面(SEI)。

结论

研究人员已经确定了一个重要参数——这是一种锂电化学反应屏障,可控制锂电池的高过压/电流稳定性。通常,如果与扩散阻挡层相比屏障较小,则在高过电势/电流下的自加热将极大地增加离子传输并减缓枝晶生长。然而,对于大的电化学反应屏障,反应速率的增加超过离子传输的增加,并且树枝状晶体的生长速率显着增加。同样,该参数还控制锂金属的高温性能。由于相邻树枝状晶体的横向生长可以形成“空隙”,因此空隙形成会降低电极的机械性能并导致“死锂”的形成。该研究可以促进自热和电化学反应和扩散障碍的进一步实验/理论研究。



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