基于中子成像技术的锂离子电池电解质降解定量研究
应用物理
2025-10-15 v1 材料科学
高能物理 - 实验
摘要
无损电化学电池表征为优化性能和寿命、同时保持结构完整性提供了关键见解。优化商业型锂离子电池 (LIB) 中电解质的设计，需要考虑其组成、电解质-容量比、空间分布以及相关的降解路径。然而，现有用于研究电解质渗透、分布和降解的无损方法缺乏足够的时空分辨率，以进行精确观察和定量分析。本研究采用中子成像技术，空间分辨率约为 150 微米，场视野为 20×20 cm²，定量解析 LiFePO₄/石墨柔性电池在高温加速老化过程中的电解质库存和分布。基于中子衰减定量标准曲线，清晰地揭示了电解质干枯阈值为 3.18 g Ah⁻¹，且电解质老化过程中可量化地表现出两个阶段的演变。通过结合无损电化学诊断，我们观察到在孔干过程中，石墨材料的加速失量和液相 Li⁺ 扩散降解。进一步的分析（包括原位循环老化）表明，中子衰减低于饱和参考值是由于固-电解质界面 (SEI) 中氢原子富集所致。在假设的孔干现象不发生的情况下，电极的 SEI 信号可在老化过程中被定量分离。结合 NI、TOF-SIMS 和 SEM 的综合分析表明，高电解质老化 (EI) 电池表现出均匀的 SEI 生长并降低了降解程度，而低 EI 电池则表现出不均匀的 SEI 形成，加速容量损失。该研究揭示了 LIB 中动态的电解质渗透-消耗-干枯过程，为指导可持续且耐用的电池开发提供了无损且定量的见解。
引用
@article{arxiv.2510.12055,
title = {Quantification of Electrolyte Degradation in Lithium-ion Batteries with Neutron Imaging Techniques},
author = {Yonggang Hu and Yiqing Liao and Lufeng Yang and Ke Zhang and Yufan Peng and Shijun Tang and Shengxiang Wang and Meifang Ding and Jiahao Wu and Jianrong Lin and Jinding Liang and Yimin Wei and Yanting Jin and Zhengliang Gong and Anatoliy Senyshyn and Jie Chen and Yong Yang},
journal= {arXiv preprint arXiv:2510.12055},
year = {2025}
}