商用锂离子电池中锂沉积的全面研究：电化学方法与后验分析的结合揭示新型多面体锂沉积形态

为解决锂离子电池快充过程中负极锂沉积(Li plating)的安全隐患和性能衰减问题，Heinrich Ditler团队通过电化学剥离测试(Stripping test)和电压弛豫分析，结合大规模后验分析(超5000张电极扫描图像)，首次在商用电池中发现新型多面体锂沉积形态。研究证实温度低于-10℃时锂沉积量呈指数增长，并建立电荷速率与沉积量的线性关系，为快充算法优化提供了关键实验依据。

　　

在电动汽车和储能系统快速发展的今天，锂离子电池的快充能力成为制约其广泛应用的关键瓶颈。当电池在低温环境下进行大电流充电时，锂离子在石墨负极表面的沉积速度会超过其嵌入石墨层间的能力，导致金属锂以枝晶或颗粒形式析出——这种现象被称为锂沉积(Li plating)。这些锂沉积物不仅会不可逆地消耗活性锂导致容量衰减，还可能刺穿隔膜引发短路，堪称锂离子电池的"阿喀琉斯之踵"。

为攻克这一难题，德国亚琛工业大学(RWTH Aachen University)电化学能量转换与存储系统研究所的研究团队开展了一项开创性研究。他们选取商用Tattu TAA-850-3S-75-XT3高功率电池(标称容量850mAh，LCO/石墨体系)作为研究对象，通过创新的实验设计结合多尺度表征技术，首次在商用电池中观察到新型多面体锂沉积形态，相关成果发表在《Journal of Energy Storage》上。

研究团队采用了三大关键技术方法：1) 定制化电化学测试系统，在-20℃至25℃温度范围和C/10至4C充电速率下进行恒容量充电和剥离测试；2) 氩气手套箱内快速拆解技术(转移时间<10分钟)，确保锂沉积形态保持原始状态；3) 多模态成像分析技术，包括600DPI平板扫描、激光共聚焦显微镜(LSM)和配备无窗EDX探测器的扫描电镜(SEM)，首次实现商用电池中锂Kα射线(54eV)的直接检测。

3.1 电化学测试结果
通过差分电压分析(DVA)发现，在-15℃条件下2C充电时会出现特征电压平台，对应着锂沉积的溶解过程。有趣的是，当采用C/15放电速率进行剥离测试时，可测得最接近真实值的可逆锂沉积量(Q_strip)，而更慢或更快的放电速率都会导致测量偏差。温度影响尤为显著：-10℃至-15℃被确定为锂沉积的"临界温度区间"，低于此温度时沉积量呈指数级增长。

3.2 后验分析发现
SEM-EDX分析首次在商用电池石墨负极上观察到菱方十二面体(rhombic dodecahedral)锂沉积形态，这种通常在超微电极上才能见到的特殊形貌，被认为是快速充电时SEI(固体电解质界面)形成与锂生长脱耦的结果。平板扫描定量分析显示，电极边缘区域的锂沉积强度(k*-value)高达2.34，而中心区域仅为1.6，这种不均匀分布与阳极悬垂(overhang)尺寸直接相关。

3.2.3 再嵌入过程分析
通过对比-15℃和25℃下的弛豫行为，发现温度升高会加速锂的再嵌入(reintercalation)过程。但令人意外的是，常温保存的电池反而表现出更高的不可逆容量损失(30mAh vs 8mAh)，这表明高温虽然加速了锂的再嵌入，但也促进了"死锂"(dead lithium)的形成。

这项研究的意义不仅在于发现了新型锂沉积形态，更建立了电化学信号与物理表征之间的定量关联。研究人员提出的"临界温度阈值"概念和边缘沉积效应，为电池管理系统(BMS)的快充算法设计提供了重要依据。特别是发现的菱方十二面体沉积形态，其生长机制可能为开发抗枝晶电解质添加剂提供新思路。未来通过优化电极边缘设计和温度场管理，有望在保持电池能量密度的同时，将快充温度下限拓展至-15℃以下。

值得注意的是，这项研究也揭示了商用电池检测的复杂性——仅依靠电压弛豫分析可能会低估20%以上的锂沉积量，而平板扫描与机器学习结合的新型图像处理方法，展现出成为在线检测技术的潜力。这些发现为下一代高安全快充电池的开发奠定了重要实验基础。