商业电池中空间非均匀反应动态演化的操作映射

首页今日动态人才市场新技术专栏中国科学人云展台
BioHot
云讲堂直播会展中心特价专栏技术快讯免费试用

生物通官微
陪你抓住生命科技
跳动的脉搏

生物通首页 > 今日动态 > 正文

《Joule》：Operando mapping of the dynamic evolution of spatially inhomogeneous reactions in commercial batteries

【字体：大中小】 时间：2025年11月05日 来源：Joule 35.4

编辑推荐：

　　本研究开发了一种基于磁场的非破坏性技术，实现商业电池中不均匀反应的实时空间-时间动态监测，揭示自调节动态反馈机制，为电池设计缺陷识别和机械应力耦合下的反应瓶颈可视化提供新方法。

赵华安|向丽志|崔冰涵|周青杰|杜建南|李赛|刘正|尹国庆|韩国康|杜春宇

中国哈尔滨工业大学化学与化学工程学院空间电源国家重点实验室，哈尔滨150001

摘要

了解电池电极中非均匀反应的演变过程对于解析电池退化机制和提高商用电池性能至关重要。然而，由于缺乏具有时空分辨率的非破坏性技术，对这些动态过程的实时监测仍然具有挑战性。在这里，我们开发了一种磁场映射技术，能够实时监测空间和时间维度上的反应非均匀性。该方法揭示了一种自我调节的动态反馈机制，为解释不同电流密度、电池设计和环境条件下非均匀反应的时空演变提供了理论框架。该技术通过直接解析这些非均匀性对反应动态的局部影响，识别出原本无法检测到的设计缺陷。它还直接可视化了机械诱导的反应瓶颈和反应路径的重新定向，为电池中的机械-电化学耦合提供了新的实时洞察。这些发现为理解非均匀退化提供了新方法，指导电极设计，并推进了商用电池的多维诊断策略。

引言

随着锂离子电池（LIBs）的快速发展，它们在电动汽车和储能系统中的广泛应用推动了人们对更高充放电速率和更长循环寿命的迫切需求。¹^,²^,³^,⁴ 电极平面上的非均匀电化学反应被广泛认为是限制材料利用率和循环稳定性的关键因素。⁵^,⁶^,⁷^,⁸^,⁹ 这些非均匀性源于电流密度梯度，并在电池设计、¹⁰^,¹¹ 工作条件¹²^,¹³ 和环境因素¹⁴^,¹⁵ 的影响下动态演变。然而，由于缺乏能够同时解析内部电化学反应的空间和时间变化的非破坏性技术，商用电池中非均匀反应的时空演变仍然知之甚少。¹⁶^,¹⁷ 深入了解非均匀反应的动态演变对于诊断电池退化、预测故障和指导高性能电池的设计至关重要。

传统的电化学技术，如循环伏安法、差分电压分析和电化学阻抗谱，可以提供关于电池整体行为的关键洞察¹⁸^,¹⁹，但缺乏捕捉局部电化学特征的空间分辨率。²⁰ 相比之下，具有高空间分辨率的先进成像和光谱技术，包括X射线衍射²¹^,²²、中子成像²³^,²⁴ 和磁共振²⁵^,²⁶，在电池的相变²⁷、锂分布²⁸^,²⁹ 和微观结构演变³⁰ 的表征方面取得了显著进展。然而，尽管在表征反应非均匀性方面取得了进展，但在实际运行条件下降解电化学反应速率的时空演变仍然是一个挑战。这一限制阻碍了人们对非均匀反应如何启动、演变和重新分布的机制理解，而这对于阐明控制电化学非均匀性的动力学途径至关重要。

在这项研究中，我们提出了一种非破坏性的磁场映射技术，能够实时监测商用电池中非均匀反应的动态演变过程。通过这种方式，我们发现了一种自我调节的动态反馈机制：由电流密度梯度引发的非均匀反应导致浓度极化的演变（图1A），进而驱动反应电流的重新分布。这一机制为解释在操作、结构和环境影响下的非均匀反应的时空演变提供了理论框架。动态演变表现出明显的转折点，将其分为快速重新分布阶段和动态平衡阶段，反映了电池的操作稳定性及其调节内部电化学差异的固有能力。通过捕捉反应的局部异常演变，该技术能够有效识别导致电池不稳定的潜在设计和制造缺陷。值得注意的是，我们证明了微妙的局部机械压缩可以引发电流瓶颈并破坏重新分布路径，从而提供了一种直接分析机械应力下电化学动态的方法。这些发现阐明了商用电池中非均匀反应的时空演变和反馈调节机制，这对于理解退化途径以及开发减轻电化学异质性的设计策略至关重要。

章节片段

通过磁场映射实时监测非均匀反应

图1B所示的示意图说明了磁场映射的原理。不可测量的电流密度分布可以投影到外部测量平面上的可测量磁场分布上。根据毕奥-萨伐尔定律，在恒定电流条件下，外部磁场分布与内部反应电流密度分布呈线性相关³¹，从而实现了非破坏性的反应映射

讨论

总之，我们提出了一种非破坏性技术，通过监测外部磁场的变化来实时监测非均匀反应的动态演变。这种方法揭示了一种自我调节的动态反馈机制，为解释电池运行过程中非均匀反应的时空演变提供了理论框架。在不同电流负载下，反应动态表现出明显的转折点，反映了系统的操作

电化学

实验测量使用了四种类型的商用电池：多片卷绕电池（标称容量5,000 mAh，正极为NCM，负极为石墨）；单片卷绕电池（4,000 mAh，正极为NCM和锂锰氧化物（LMO）的混合物，负极为石墨）；叠层电池（3,150 mAh，正极为NCM，负极为石墨）；以及单片卷绕电池（标称容量5,000 mAh，正极为NCM）