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1、 固態(tài)鋰電池的失效行為、失效機(jī)制及失效分析

固態(tài)鋰電池（SSLBs）由于其安全性和潛在的高能量密度優(yōu)勢(shì)，被認(rèn)為是下一代動(dòng)力電池的重要發(fā)展方向�，F(xiàn)階段固態(tài)鋰電池仍存在各種問題，比如固態(tài)鋰電池的失效行為，它會(huì)嚴(yán)重影響電池性能，包括降低電池的能量密度、功率密度、可靠性、安全性和循環(huán)壽命，從而影響電池的大規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用。固態(tài)電池循環(huán)容量損失、內(nèi)阻增加、內(nèi)短路、熱失控、日歷失效等均屬于電池的失效行為。

通過了解和認(rèn)識(shí)固態(tài)電池中各種失效行為，深入探索固態(tài)電池失效機(jī)理，才能更有針對(duì)性的去解決固態(tài)電池的失效問題，提升固態(tài)電池的電池性能。目前，固態(tài)鋰電池失效機(jī)制的研究尚不完善，需要根據(jù)電池的失效表現(xiàn)，對(duì)電池進(jìn)行電池外觀檢測(cè)、電池?zé)o損檢測(cè)、電池有損檢測(cè)以及綜合分析。失效分析主要基于現(xiàn)有的失效行為，結(jié)合現(xiàn)有的分析手段，達(dá)到探求其失效原因的目的，并積累其失效過程中的各種失效因素，最終反饋到固態(tài)鋰電池設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)達(dá)到預(yù)防失效或延長壽命的目的。固態(tài)鋰電池是一個(gè)復(fù)雜體系，失效分析涉及電池的電化學(xué)性能分析，熱性能分析，力學(xué)性能分析，結(jié)構(gòu)分析，成分分析，物相分析，價(jià)態(tài)分析，功能組

分析等，主要采用電化學(xué)測(cè)試、先進(jìn)的原位/非原位表征以及理論計(jì)算和數(shù)值模型模擬等手段。研究人員開展了大量的失效機(jī)制研究，提出了多種電池失效機(jī)制，包括電極與電解質(zhì)的固/固界面問題、負(fù)極鋰金屬的枝晶生長、正極結(jié)構(gòu)演變與機(jī)械失效、電解質(zhì)失效等。

2、固態(tài)鋰電池電極過程中的原位研究

近幾年，伴隨著先進(jìn)表征技術(shù)的發(fā)展，使得界面研究成為可能，固態(tài)電池內(nèi)在反應(yīng)機(jī)理的深入研究也因此取得了一定的進(jìn)展。傳統(tǒng)的非原位表征技術(shù)，因后處理導(dǎo)致時(shí)間上的推遲，不能提供隨環(huán)境變化而變化的定性、定量信息，所以有必要發(fā)展在不同時(shí)間、空間尺度下的原位表征技術(shù)，以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電池微觀結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變和離子擴(kuò)散的演變過程，圖1展示了各原位表征技術(shù)在SSLBs中的應(yīng)用。

圖1固態(tài)鋰電池電極過程的原位表征技術(shù)示意圖

其中，成像表征技術(shù)主要包括原位電子顯微鏡（掃描電子顯微鏡（SEM），透射電子顯微鏡（TEM）），原位原子力顯微鏡（AFM），原位光學(xué)顯微鏡（OM）和原位X-ray顯微鏡（XRM）。原位SEM可以揭示電極的形貌演變，如體積膨脹和裂紋的形成OM空間分辨率較低，但在分析枝晶刺穿電解質(zhì)過程具有一定優(yōu)勢(shì)。AFM因超高的表面靈敏度，被用于探測(cè)電極表界面的微觀變化，提供理嵌入/脫出和固體電解質(zhì)中間相的演化過程�；瘜W(xué)成分分析技術(shù)包括拉受光譜X-ray基技術(shù)（X-ray光電子能譜（XPS），X-ray衍射技術(shù)（XRD），X-ray吸收光譜（XAS）），中子深度剖析（NDP），核磁共振（NMR）等。XRD能夠表征材料的體相結(jié)構(gòu)，確定樣品的結(jié)晶度和物相組成，XAS關(guān)注原子配位環(huán)境和化學(xué)態(tài)的信息，NDP基于中子和原子核之間的相互作用，提供鯉離子的分布情況和擴(kuò)散路徑基于這些表征手段。

隨著原位技術(shù)的不斷進(jìn)步，電池內(nèi)部反應(yīng)機(jī)制逐漸清晰化，優(yōu)化策略也不斷地創(chuàng)新。然而，對(duì)于復(fù)雜的固態(tài)鋰電池體系仍缺乏系統(tǒng)性的認(rèn)識(shí)，對(duì)于很多挑戰(zhàn)性的問題還需要進(jìn)一步的理解和突破。

針對(duì)固態(tài)電池相關(guān)的技術(shù)、材料、市場(chǎng)及產(chǎn)業(yè)等方面的問題，中國粉體網(wǎng)將于12月20-21日在常州舉辦第四屆高比能固態(tài)電池關(guān)鍵材料技術(shù)大會(huì)，為致力于固態(tài)電池技術(shù)開發(fā)的企業(yè)，科研院校，以及電動(dòng)車、儲(chǔ)能、特種應(yīng)用等終端企業(yè)提供信息交流的平臺(tái)，開展產(chǎn)、學(xué)、研合作，共同推動(dòng)行業(yè)發(fā)展。屆時(shí)，燕山大學(xué)唐永福教授將作題為《固態(tài)鋰電池負(fù)極界面失效的多尺度原位研究》的報(bào)告。報(bào)告將介紹近年來通過原位透射電鏡、原位掃描電鏡等多尺度可視化手段對(duì)鋰枝晶及負(fù)極界面失效力-電-化學(xué)耦合特性的原位研究，直觀解析不同固態(tài)電池體系鋰枝晶的形成及演化機(jī)制，提出鋰枝晶抑制的可能策略，為長壽命、高安全固態(tài)鋰電池的設(shè)計(jì)與開發(fā)提供參考。

專家簡介：

唐永福，燕山大學(xué)教授，博士生導(dǎo)師。一直以來，從事固態(tài)電池、金屬-空氣電池等儲(chǔ)能器件及其關(guān)鍵材料的開發(fā)及原位表征等研究。近年來，主持國家自然科學(xué)基金、教育部霍英東基金等科研項(xiàng)目10余項(xiàng)，獲得河北省自然科學(xué)獎(jiǎng)三等獎(jiǎng)（排名第一）、河北省“青年拔尖人才”、河北省“三三三”人才等人才項(xiàng)目及榮譽(yù)；以第一/通訊作者在Nat.Nanotechnol.，Angew.Chem.Int.Ed.（2篇），Adv.Mater.，EnergyEnviron.Sci.，NanoLett.（3篇），ACSNano（3篇），ACSEnergyLett.（2篇），Adv.Funct.Mater.（3篇），NanoEnergy（2篇）等期刊發(fā)表論文70余篇；論文他引3300余次，h因子為32；申請(qǐng)國家發(fā)明專利15項(xiàng)，已授權(quán)10項(xiàng)。

參考來源：

田建鑫等.固態(tài)鋰電池電極過程的原位研究進(jìn)展

呂志文等.固態(tài)鋰電池失效機(jī)制及其研究進(jìn)展

王濤等.固態(tài)電池失效分析

（中國粉體網(wǎng)編輯整理/文正）

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