北理工團隊開發(fā)電化學阻抗譜定量診斷鋰電池析鋰形貌方法
發(fā)布日期：2026-04-20 供稿：前沿交叉研究院 攝影：前沿交叉研究院
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近日，北京理工大學研究團隊在電化學阻抗譜定量診斷鋰電池析鋰（鋰沉積）形貌研究領(lǐng)域取得突破，相關(guān)研究成果發(fā)表在國際知名期刊《Journal of the American Chemical Society》上，研究題目為“Quantitative Diagnosis of Li Plating Morphology by Analyzing Response of Electrochemical Impedance Spectroscopy in Working Li Batteries”。本文的通訊作者為北京理工大學黃佳琦教授和閆崇教授，第一作者為北京理工大學前沿交叉科學院/材料學院碩士研究生余芷嫻。
圖1 利用電化學阻抗信號定量診斷鋰沉積形貌的原理示意圖。
析鋰（Li plating）被廣泛認為是制約鋰離子電池快充性能與安全性的核心瓶頸之一，此外，固態(tài)電池中的鋰沉積形貌的影響同樣對電池安全至關(guān)重要。不同沉積形貌在枝晶生長動力學、界面穩(wěn)定性以及“死鋰”形成等方面存在本質(zhì)差異，這些差異直接決定了電池的衰減路徑與安全閾值。然而，在電池實際運行過程中，如何實現(xiàn)對析鋰形貌的實時識別與定量預測，始終是該領(lǐng)域尚未解決的關(guān)鍵科學問題。
針對上述挑戰(zhàn)，該工作提出了一種基于電化學阻抗譜（EIS）響應(yīng)特征的形貌診斷原理與方法。通過系統(tǒng)研究不同沉積條件下的阻抗演化行為，建立了阻抗擬合參數(shù)與沉積形貌之間的定量關(guān)聯(lián)關(guān)系，并成功實現(xiàn)了不同析鋰形貌的電化學特征區(qū)分及沉積過程的動態(tài)演化追蹤。該方法突破了傳統(tǒng)表征手段的局限，使EIS從“定性分析工具”提升為可用于形貌定量診斷的核心技術(shù)。
作者通過調(diào)控電流密度及沉積容量，在銅基底上構(gòu)建了多種典型鋰沉積形貌，包括致密沉積與枝晶結(jié)構(gòu)。如圖2所示，不同條件下獲得的沉積形貌呈現(xiàn)出顯著差異，為后續(xù)阻抗分析提供了標準樣本。
圖2 不同電解液中沉積形貌與阻抗響應(yīng)的相關(guān)性。
進一步利用弛豫時間分布（DRT）技術(shù)對EIS數(shù)據(jù)進行了深度解析。通過精確識別中頻區(qū)的電荷轉(zhuǎn)移過程，計算發(fā)現(xiàn)電荷轉(zhuǎn)移阻抗Rct的演變遵循典型的冪律分布（y = axb）規(guī)律。對比分析表明，酯類電解液中的Rct下降最為劇烈，而含有LiNO?的體系則表現(xiàn)出最為平緩的衰減趨勢（圖3）。
圖3 三種不同電解液體系在鋰沉積過程中的Rct分析
通過對沉積層厚度、雙電層電容（Cdl）增量以及顆粒粒徑分布的綜合統(tǒng)計分析，研究團隊確立了冪律分布方程中的指數(shù)|b|與真實形貌的對應(yīng)關(guān)系（圖4）。枝晶狀沉積因其極高的長徑比和疏松結(jié)構(gòu)，導致電化學反應(yīng)面積（ECSA）迅速膨脹，對應(yīng)的LGF值最高（>2.0）；柱狀沉積形貌較為致密，LGF處于中間水平（1.7-2.0）；而最理想的顆粒狀或球狀沉積由于比表面積增加最慢，且沉積層最為緊湊（圖4c, f），其LGF值最低（<1.7）。至此，研究團隊將擬合參數(shù)中具有動力學描述意義的指數(shù)項絕對值|b|定義為鋰生長因子（li growth="" factor="">
圖4 1.0 mAh cm?2沉積容量下鋰沉積的形貌分析。
為了驗證LGF模型的普適性，研究團隊挑戰(zhàn)了不同電流密度（0.02至2.0 mA cm?2）以及?10 °C的低溫極端條件（圖5）。在變電流測試中，LGF表現(xiàn)出了極強的預警能力。例如，在2.0 mA cm?2的高電流密度下，由于強極化作用，LGF值飆升至3.04，預示著嚴重的枝晶化傾向；而在極低電流下，沉積則趨向于低比表面積的塊狀生長，LGF降至1.67。更具實際意義的是，在?10 °C低溫環(huán)境下，阻抗信號反饋出的LGF值2.22準確預判了低溫易誘發(fā)枝晶的風險，隨后經(jīng)拆解SEM證實，低溫下確實形成了比室溫更為纖細、疏松的枝晶結(jié)構(gòu)。
圖5 紐扣電池中不同沉積條件下的實驗驗證。
研究團隊將這一診斷技術(shù)從實驗室模型的Li||Cu半電池，進一步擴展到了石墨||鋰半電池以及更接近實用的軟包電池體系中（圖6）。在石墨體系中，成功驗證隨著倍率從0.5C提高至2C，LGF逐漸增大，枝晶含量明顯增加。在軟包電池測試中，盡管由于內(nèi)部壓力重新分布導致初期阻抗出現(xiàn)短暫波動，但一旦進入穩(wěn)定的沉積階段，LGF便展現(xiàn)出極高的診斷能力。研究發(fā)現(xiàn)，僅需充入約0.3-0.4 mAh cm?2的極小容量，系統(tǒng)便能計算出穩(wěn)定的LGF值。這意味著，無需耗時的長循環(huán)測試，也無需破壞電池，只需在充電初期進行簡短的EIS掃描，就能提前感知內(nèi)部鋰沉積的微觀形態(tài)。這一發(fā)現(xiàn)為新能源汽車快充過程中的枝晶監(jiān)測提供了一種極具潛力的無損檢測新方案。
圖6. 不同電池構(gòu)型中的實驗驗證。
綜上所述，該工作通過建立Rct衰減動力學與鋰沉積形貌之間的定量關(guān)系，提出了一種原位、無損的鋰沉積形貌診斷原理和方法。該方法無需拆解電池或中斷運行，即可實時監(jiān)測沉積形貌，為鋰電池的安全性評估和快充協(xié)議優(yōu)化提供了全新的技術(shù)工具。
論文詳情
Quantitative Diagnosis of Li Plating Morphology by Analyzing Response of Electrochemical Impedance Spectroscopy in Working Li Batteries
Zhi-Xian Yu, Chong Yan,* Lei Xu, Shuo Zhang, De-Chao Meng, Gui-Chen Ju, and Jia-Qi Huang*
論文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.5c23170
附作者簡介：
閆崇，北京理工大學前沿交叉科學院教授，博士生導師，國家高層次青年人才。主要從事高能量密度鋰電池快充/快放研究及人工智能析鋰檢測儀器的開發(fā)，在Adv. Mater.、J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem. 等期刊發(fā)表SCI論文80余篇，總引用20000余次。申請發(fā)明專利30余項，授權(quán)14項，實現(xiàn)成果轉(zhuǎn)化多項。主持國家優(yōu)秀青年科學基金，北京市自然科學基金重點專項。山西省重點研發(fā)計劃等項目。研究成果榮獲教育部自然科學一等獎、第七屆中國創(chuàng)新挑戰(zhàn)賽優(yōu)勝獎、全國儲能挑戰(zhàn)賽技術(shù)創(chuàng)新獎等。2021-2025年入選科睿唯安全球高被引科學家。
黃佳琦，北京理工大學前沿交叉科學院教授，博士生導師。長期從事高比能、高安全、長壽命的鋰硫電池及金屬鋰電池等新體系電池的基礎(chǔ)與應(yīng)用研究。在Nat Energy, Angew Chem, J Am Chem Soc, Adv Mater等期刊發(fā)表研究工作200余篇，其中85篇為ESI高被引論文，H因子120，入選科睿唯安材料、化學領(lǐng)域高被引科學家。主持國家杰出青年科學基金，北京市杰出青年科學基金，國家重點研發(fā)計劃課題等項目。曾獲第十七屆中國青年科技獎特別獎，中國顆粒學會自然科學一等獎等獎項。
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