鋰電池石墨復合一包養心得電極力-電耦合機能原位測量剖析

requestId:687f3ae6aedca3.20059761.

作者：劉佳輝卞偉翔李年夜偉

單位：上海理工年夜學

援用本文：劉佳輝, 卞偉翔, 李年夜偉. 鋰電池石墨復合電極力-電耦合機能原位測量剖析[J]. 儲能科學與技術, 2025, 14(6): 2240-2247.

DOI：10.19799/j.cnki.2095-4239.2024.1149包養網

本文亮點：1.應用石墨電極來進行原位測量實驗設計與剖析，開發原位測量手腕對復合石墨電極電化學循環過程中的力-電耦合機能進行測試，在小變形模子下,剖析了曲率變形與楊氏模量、偏摩爾體積以及應力之間的關系。 2.研討了分歧集流體厚度對于復合石墨電極力學機能的影響，供給了一種實時捕獲鋰電池電極在電化學反應中的力學響應的原位觀測手腕，幫助深刻懂得影響其內部損傷和循環壽命的感化機制。

摘要 石墨是今朝鋰電池最常用的負極資料之一，其電化學-力學耦合機能對于鋰電池的結構穩定性和循環壽命很是主要。研討通過開發原位測量手腕對復合石墨電極電化學循環過程中的力-電耦合機能進行測試，同時開發物理模子，用于剖析石墨復合電極曲率、楊氏模量、應變和偏摩爾體積的演變規律，探討對電池壽命機能的影響。研討結果表白，隨著鋰化過程的進行，石墨電包養app極的彈性模量逐漸增年夜，表現出硬化趨勢，且偏摩爾體積隨鋰濃度呈階段性變化。分歧厚度的集流體對電極內部的應力、應變有顯著影響，較厚的集流體在克制活性層應變方面後果更顯著。同時隨著循環次數增添，電極活性層中的應力和應變峰值在第三次循環達到最年夜，且各循環演變趨勢趨于雷同。本研討系統性地提醒了石墨負極在電化學反應過程中的力學響應特征及其力學機能的演變規律，為深刻懂得鋰離子電池電極的力學行為供給了參考。

關鍵詞 石墨復合電極；模量；偏摩爾體積；鋰離子電池

隨著全球范圍內對清潔動力及電動汽車需求的日益增長，鋰電池產業正在疾速地發展與擴張。石墨因其機能穩定包養、低電壓平臺和本錢昂貴而被選擇作為商業儲能鋰電池負極資料。在電化學反應過程中，鋰離子的嵌進和脫出，會惹起石墨層間距的變化，進而導致石墨顆粒的體積膨脹與收縮。同時由于活性層遭到金屬集流體的約束，會在電極上產生應力，電極發生彎曲變形，而在電池標準上表現為電池體積膨脹。此外，在電化學反應過程中，鋰離子的嵌進和脫出所產生的擴散誘導應力會使得活性顆粒發生微觀結構變化，進而導致電極產生裂紋、分層等損傷，影響鋰電池的容量密度和循環壽命。是以，結合原位實驗來實時監測復合電極在電化學反應過程中的力學機能，深刻探討循環過程中復合電極的力學-電化學耦合機能演變，有利于深刻清楚商用鋰電池的任務機理，進而指導設計出高容量商用鋰電池。

原位測量系統可用于準確捕獲鋰電池電極在電化學反應中的電化學-力學耦合響應，探討復合資料電極力學機能參數和應力、應變等參量隨鋰離子濃度的演變規律，深刻研討力學響應對于鋰電池容量密度和循環壽命的影響機制。今朝，已有相關研討開發了原位測量手腕并用于探討鋰電池電極的電化學-力學耦合機理。此中，應用數字圖像相關(DIC)技術研討石墨負極在嵌鋰和脫鋰過程中的機械演變，發現應變隨電極概況描摹的變化而變化。原位拉曼光譜實驗被用于剖析和討論變形機制及速度響應特徵，量化石墨負極在分歧充放電速度下的微觀變形。Schweidler等應用原位X包養網推薦射線衍射和原位壓力剖析技術來監測石墨陽極在充放電過程中的包養網結構變化和體積變化，在陽極/陰極均衡的考慮下，不完整鋰化也會導致晶格中產生顯著的應變。有研討對多孔石墨電極的鋰化和脫鋰過程進行了動態觀測，討論了鋰離子傳輸過程中遷移率的演變，以及鋰濃度和相變對遷移率的影響。當鋰離子嵌包養價格進時，石墨顆粒經歷一系列的相變過包養網單次程，構成了層間化合物(LiC)。中子衍射觀察石墨電極在循環過程中的相變，提醒了LiC12和LiC6等相的存在及演變。鋰離子的擴散性及分歧階段鋰化產物的力學機能取決于鋰濃度。這種依賴性導致了石墨電極在循環中會發生階段性的資料特徵變化。是以，摸索石墨電極在分歧鋰濃度下、分歧循環階段的循環機能和力學機能的演變過程對進步電極的電化學機能至關主要。

為了研討復合石墨電極在分歧鋰濃度以及分歧循環階段的循環機能和力學機能的演變過程，本任務采用了曲率原位測試系統對楊氏模量、偏摩爾體積等參量進行定量剖析，并且實時監測復合電極在電化學循環過程中的彎曲變包養行情形，樹立了復合石墨電極在電化學反應過程中的包養網推薦彎曲變形理論模子，用于深刻懂得復合電極的力學響應機理，并且研討了分歧集流體厚度對于復合石墨電極力學機能的影響。結果表白，隨著鋰化過程的進行，復合石墨電極的應力和模量呈現非線性增添，并且其偏摩爾體積會隨著充電狀態發生階段性變化。本研討供給了一種實時捕獲鋰電包養網ppt池電極在電化學反應中的力學響應的原位觀測手腕，幫助深刻懂得影響其內部損傷和循環壽命的感化機制，能夠為儲能電池的進一包養妹個步驟優化供給力學角度的指導。

1 實驗

石的葉則被網友痛罵無腦無能。1.1電極制備

石墨復合電極由質量分數為90%的石墨顆粒、2.5%的導電炭黑和7.5%的CMC混雜而成，制備電極漿料時，起首將CMC消融于往離子水中，然后順次參加石墨顆粒和導電炭黑。攪拌充足后用刮刀將混雜均勻的漿料均勻地涂在銅箔上，并在室溫下靜置6小時，然后轉移到真空干燥箱(溫度設置為110 ℃)中進一個步驟干燥。為消除活性物質載量分歧對電極力-電耦合機能的干擾，在電極制備過程中嚴格把持涂敷厚度，使一切電極樣品厚度分歧。此外，在電極制備完成后，均進行了雷同工藝參數的滾壓處理，確保電極的孔隙率堅持分歧。這些改進辦法確保了變量的可控性，使得研討可以更專注于集流體厚度對力-電耦合機能的影響。集流體和石墨活性層的厚度應用千分尺(mitutoyo micrometer)進行測量，其總厚度為40 µm，而集流體的包養一個月價錢厚度分別為10 µm、17 µm和22 µm。如圖1所示，集流體的應力應變曲線通過動態機械剖析系統(DMA Q800)測定，集流體彈性模量由彈性階段應力與應變比值求解獲得，分別為55 GPa、37.5 GPa和36.9 GPa。經過剖析，石墨電極孔隙率約為59.62%，活性資料的體積分數約為35.32%。石墨復合電極的初始概況描摹和電極元素能譜(EDS)如圖2(a)和2(b)所示。可以看出在電極中C元素的質量分數為97%，這與電極初始資料的比例接近。

圖2 石墨復合電極概況描摹和元素能譜圖

1.2紐扣電池和模子電池的組裝及電化學測試

本任務通過紐扣電池來測試石墨復合電極在循環過程中的容量密度和循環壽命。制備好的電極和鋰片(1 mm厚)組裝在CR2023型紐扣電池中，石墨電極和鋰金屬之間應用微孔聚丙烯薄膜(25 μm厚，Celgard 2400)作為隔閡用以避免短路，一切步驟均在手套箱內(O2≤0.1 ppm，H2O≤0.1 ppm，1 ppm=10-6)進行。同時結合模子電池來測量其力她入學時，是他幫忙搬的行李。他還曾經要過她的聯-電耦合機能，如圖3所示。模子電池設計通明石英窗口用于實時監測電極的彎變形規律。此時，石墨電極尺寸為：長×寬=15 mm×3 mm，鋰金屬作為對應電極來供給鋰離子。此中電解液由1 mol/L LiPF6溶于碳酸乙烯酯和碳酸二乙酯(EC和DEC體積比為1∶1)中制備而成(南京山河動力科技股份無限公司)。

考慮到溫度變化對石墨復合電極力-電耦合機能的影響，本研討采用溫箱進行溫度把持。一切電化學測試均在室溫(25 ℃)下，通過溫箱堅持溫度恒定，應用CT-4000-mA NEWARE電池測試系統進行測試，以確保實驗環境的穩定性和數據的準確性。對于紐扣電池，充電倍率設定為C/3，充電時間設定為3小時，用以測試復合石墨電極的循環機能和庫侖效力。對于模子電池，充電速度設定為C/10，充電時間設定為10小時。此處模子電池選擇相對較小的充放電速度以堅持鋰離子在活性層中的均勻嵌進，有助于減少極化對于復合石墨電極在鋰化和脫鋰過程中的影響。在電化學循環過程中，用CC包養女人D(CM200GE)工業相機實時記錄石墨復合電極的變形圖像，如圖3所示。CCD相機每2分鐘拍攝一次圖像，同時電池測試系統以1 Hz的頻率記錄電壓、電流、時間和容量等電化學參數。

1.3雙層電極彎曲變形物理模子

為了研討分歧厚度集流體的復合石墨電極在循環過程中的曲率變化，本任務開發物理模子用于探討其變形與電化學反應直接的關聯機理。如圖(3)所示，物理模子由集流體和活性層兩部門組成，其厚度分別為c和a。定義厚度標的目的為軸，立體內標的目的為和軸。在電化學循環過程中，鋰離子的嵌進和脫出會導致復合電極活性層的膨脹和收縮，但活性層遭到集流體的限制，這種應變不婚配會導致電極彎曲變形。在電化學循環過程中不斷捕獲電極的實時變形，結合圖像剖析軟件獲得其曲率演變規律，其鉅細表現為。