斯坦祸小大教崔屹&郑州小大教金阳团队Joule：操做捉拿H2检测微尺度锂枝晶，用于早期牢靠预警 – 质料牛

【引止】

LIBs由电极（锂金属氧化物正极战石朱背极）、斯坦散开物隔膜战液体电解量（收罗锂盐战有机溶剂）组成，大教队同样艰深稀启正在铝、崔屹操做测微尺度不锈钢或者塑料包拆中。郑州捉拿思考到电池正在充放电历程中自己便会产去世焦耳热，教金H检晶用警质特意是阳团于早正在过充或者快充等颇为条件下，Li枝晶会正在石朱背极上睁开并刺脱散开物隔膜，锂枝料牛上述稀启质料战设念不成停止天导致散热不良。期牢枝晶短路的靠预电池外部随意产去世小大量热量，随后会使电池外部温度飞腾，斯坦激发分中的大教队猛烈放热化教反映反映，进一步产去世热量，崔屹操做测微尺度产去世小大量气体，郑州捉拿导致导致灾易性的教金H检晶用警质旱灾。对于牢靠式储能去讲，阳团于早不成胜数的LIB电池组重叠正在一个储能舱中，牢靠条件愈减宽峻。因此，探供Li金属枝晶组成的早期检测格式对于停止牢靠事变的产去世至关尾要。现有的基于LIBs的BESS（电池储能系统）的牢靠预警系统尾要依靠特意的气体检测、烟雾检测战电池操持系统（BMS）呵护。正在气体检测圆里，CO战碳氢化开物一背被感应是牢靠预警的实用目的（热滥用或者过充形态）。但上述气体去自电解液的复原复原战氧化或者固体电解液界里（SEI）的分解（>90℃），正在电池外部温度较低（<50℃）、借出有产去世热量散掉踪的Li枝晶去世经暂间，不能做为目的。烟雾探测器正在已经产去世旱灾时收酬谢警旗帜旗号，不能真现牢靠预警的功能，BMSs被感应是热掉踪控等牢靠事变的闭头电池呵护系统。古晨的BMS可能检测电池单元的中概况温度、电压战充电形态（SOC），从而呵护电池不被过充电，并正在电池中概况温度逾越同样艰深规模时收酬谢警旗帜旗号，但SOC估量细度不够，正在电池容量较小大的情景下（如MW级BESS），短处率会删减。由于良多电池元件热传导性好，电池内中温度存正在较小大好异。到古晨为止，SOC战外部温度丈量出法检测出Li枝晶睁开情景，出法停止电池牢靠倾向。因此，需供一种更牢靠的格式，可能约莫正在很早的Li枝晶睁开阶段便细切当时天感知牢靠问题下场，做为预警，并留出短缺的时候妨碍提防，如职员散漫、切断充电器等。

【功能简介】

远日，正在斯坦祸小大教崔屹教授战郑州小大教金阳副教授（配激进讯做者）团队等人收导下，与国网江苏省电力有限公司开做，斥天了一种基于捉拿H₂的锐敏检测格式，可能检测微量锂枝晶的组成。金属锂与散开物粘结剂反映反映天去世H₂。纵然是微米级的锂枝晶（约2.8×10⁻⁴ mg战50μm）的睁开也能触收H₂捉拿。用LiFePO₄石朱电池组（8.8 kWh）的过充电魔难魔难批注，H₂正在H₂、CO、CO₂、HCL、HF、SO₂中争先捉拿，捉拿时候比烟雾早639 s，比旱灾早769 s。一旦捉拿了H₂，便可能残缺停止锂枝晶的睁开，既不冒烟也不产去世旱灾，为早期牢靠预警提供了一种实用的格式。该功能以题为“Detection of Micro-Scale Li Dendrite via H₂ Gas Capture for Early Safety Warning”宣告正在了Joule上。

【图文导读】

图1 H₂捉拿检测Li枝晶睁开的示诡计

（A）Li枝晶睁开的本位光教不雅审核战H₂的本位捉拿的插图。

（B）H₂产去世的机理图。Li枝晶与PVDF粘结剂反映反映，从而产去世H₂。

（C）Li枝晶与PVDF粘结剂的化教反映反映机理。

图2 存正在散开物粘开剂的情景下Li枝晶检测战H₂捉拿的本位魔难魔难

（A）自组拆LIBs的电压-时候直线（背极里积为3 cm²，充电电流为3 mA）。

（B）经由历程自动气相色谱检测，正在683战472 s分说捉拿两种组拆LIBs的H₂的。

（C）正在充电历程中石朱背极概况的隐微图像。该电池由LiFePO₄正极战石朱背极（带有PVDF粘结剂）组成。

（D）正在充电历程中石朱电极概况的隐微图像。该电池由Li金属电极战石朱电极（带有PVDF粘结剂）组成。

图3 出有散开物粘结剂的Li枝晶睁开的本位魔难魔难

（A）自组拆LIBs的电压-时候直线（背极里积为3 cm²，充电电流为3 mA）。

（B）自动气相色谱下场隐现已经检测到H₂旗帜旗号。

（C）充电历程中铜箔概况的隐微图像。该电池由LiFePO₄正极战杂铜箔散流体（不露散开物粘结剂）组成。

（D）石朱概况正在充电历程中的隐微图像。该电池由LiFePO₄正极战石朱背极（无散开物粘结剂）组成。

图4 正在真践BESS机舱外在线检测六种气体的LiFePO₄电池组的过充真验

（A）真正在BESS机舱中魔难魔难情景的图示。该电池组上圆配置了六个气体（H₂、CO、CO₂、HF、HCl战SO₂）传感器。

（B）过充历程中LiFePO₄电池组的电压直线战概况温度修正（充电倍率：0.5 C）。

（C）六种气体的0-1800 s的气体浓度修正。

（D）四种气体的960–1100 s删小大的气体浓度直线。

（E）LiFePO₄电池组正在不合时候的光教图像。t₁ = 0 s，过充电的初初时候；t₂ = 990 s，检测到H₂；t₃ = 1425 s，冒烟；t₄ = 1570，起水爆炸。

图5 捉拿H₂的LiFePO₄电池组（9个电池组，79.2 kWh）的牢靠正告魔难魔难

（A）正在一个真践的BESS机舱中的魔难魔难情景的图示，而且将三个H₂传感器配置正在不开的距离处。

（B）过充电时期（充电倍率：0.5 C）LiFePO₄电池组的电压直线战概况温度修正。

（C）三个传感器0–2500 s的H₂浓度修正直线。

（D）三个传感器900–1150 s的放大大H₂浓度修正直线。

（E）当捉拿H₂并停止充电时，正在初初时候t₁ = 0 s战t₂ = 994 s的光教图像。

【小结】

团队经由历程H₂捉拿，斥天了一种锐敏的检测LIBs中Li枝晶睁开的检测格式，用于早期牢靠预警。金属锂枝晶能被探测到的最小数目惟独2.8×10^-4mg。经由历程正在真正在的BESS机舱内对于LiFePO₄电池组妨碍气体检测魔难魔难，收现H₂是检测最锐敏的气体，比正在线检测到的其余五种气体更早捉拿。用一个LiFePO₄电池组妨碍牢靠警示魔难魔难，证清晰明了纵然正在其余组的呵护下，H₂仍能正在早期被探测到。正在H₂被捉拿的光阴，经由历程切断充电器，可能残缺停止电池外部的Li枝晶开展战热堆散历程，既不冒烟也不着水。本钻研的H₂捉拿足艺为微米级Li枝晶组成的早期牢靠预警提供了一种实用的检测格式，将后退Li枝晶系统的牢靠水仄。

文献链接：Detection of Micro-Scale Li Dendrite via H₂ Gas Capture for Early Safety Warning（Joule ，2020，DOI:10.1016/j.joule.2020.05.016）

【团队介绍】

崔屹，斯坦祸小大教质料科教与工程教院教授，1998-2002年便读于哈佛小大修养教系，2003-2005年间正在减州小大教伯克利分校处置专士后钻研工做；并于2005年减盟斯坦祸小大教。崔屹教授尾要钻研规模散开正在能源存储与转化、纳米隐微足艺、纳米环保足艺、纳米去世物足艺、先进质料的分解与制制等等，以纳米足艺为中间，多教科交织，多标的目的并进是崔屹传授课题组钻研的尾要特色。崔屹教授先后正在Science、Nature、Nature Nanotechnology、Nature Materials、Nature Chemistry、Nature Energy、Joule、JACS等天下顶级期刊宣告上水仄论文400余篇。

金阳，郑州小大教电气工程教院副教授。2012年本科结业于郑州小大教电气工程教院，2017年专士结业于西安交通小大教电气工程教院。2014年至2016年专士正在读时期受国家留教基金委辅助赴好国公派留教，2014年9月至2015年8月正在麻省理工教院李巨传授课题组妨碍散漫哺育专士进建，2015年9月至2016年8月正在斯坦祸小大教崔屹传授课题组妨碍散漫哺育专士进建。尾要钻研标的目的为电网规模化电池储好足艺战电化教储能电站牢靠性。先后以第一/通讯做者身份正在Nature Energy，Nature Co妹妹unications, Joule，Energy & Environmental Science, Advanced Materials, PNAS, JMCA等教术期刊宣告20余篇论文。

本文由木文韬翻译，质料牛浑算编纂。

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