使用新的拉曼光谱技术可以在快速充电期间监控锂电镀

人们一致认为，电动汽车(EV)接受的关键之一将是快速充电。能够在10-20分钟的充电时间内获得200-300英里的EV范围，这使得除了电子之外只能使用电动机进行越野行驶。但是，快速充电比简单地将更多电力填充到电池组中还要多。

用于为EV供电的锂离子电池组由正电极(阴极)组成，该正电极通常由金属氧化物制成，其可通过称为嵌入的过程捕获其结构内的锂离子。负电极(阳极)通常是碳石墨材料片，其可以在它们的层之间容纳锂离子。当锂离子电池放电时，锂离子从石墨阳极通过液体电解质行进到阴极。当相同的电池充电时，锂离子从阴极移动并被吸收在石墨层之间。重要的是要注意，在一般情况下，电池单元中没有金属锂 - 只是元素的离子。

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锂离子电池可以充电的速率取决于石墨阳极吸收锂离子的能力。在缓慢的充电速率(小时)下，锂离子进入大部分阳极材料并安全地储存在那里。在高充电速率(分钟)下，金属锂直接沉积在石墨表面上变得在热力学上是有利的。锂在阳极表面上的成核具有几种不希望的结果。首先，金属锂不会均匀地镀在碳上，而是形成针状，尖刺的树枝状晶体，其长度足以到达阴极，使电池短路并可能引起火灾。另外，镀在阳极表面上的锂离子不存储在石墨平面中，减少锂离子的“库存”，从而减少电池的充电容量。暴露的金属锂也可以与电解质反应，形成固体电解质界面(SEI)，隔离并从潜在的化学反应中去除更多的锂，并进一步降低电池的性能和寿命。

确定最大快速充电速率的关键是确定在石墨阳极表面上发生锂金属成核的确切条件。问题在于如何原位检测成核。核磁共振(NMR)和电子顺磁共振(EPR)技术都被用于试图确定金属锂的存在，但这两种技术都没有成功地确定镀金属锂金属表面的空间分布。石墨阳极。

一种检测成核的新方法

现在，阿贡国家实验室的研究人员已经证明使用拉曼光谱作为检测锂金属成核和绘制阳极表面金属锂空间分布的手段。“拉曼光谱是一种振动光谱学，”阿贡的高级科学家丹尼尔亚伯拉罕向设计新闻解释道。“我们的光照射到样品上 - 在这种情况下，光恰好是激光 - 它实际上使分子内部的化学键振动。您可以将分子和晶体视为由弹簧连接的球系统 - 在某些条件下，您可以实际设置球和弹簧振动。某些振动频率对应于某些化合物，“他补充说。

“当锂离子电池以极高的速率充电时，石墨阳极表面有过量的锂离子，所以在锂离子扩散通过电极厚度之前，顶面的石墨会充满随着锂和过量的锂板进入石墨，“亚伯拉罕告诉我们。

“关于锂金属的事实是它实际上并不是拉曼活跃的，它在拉曼光谱中看不到”，亚伯拉罕说。Argonne团队已经注意到，当他们快速充电锂离子电池时，观察到对应于称为乙炔锂化合物(例如，Li-C≡CX和Li2C2)的拉曼峰。这些物质在没有其他光谱特征的光谱区域(1800至1900cm-1)中产生强拉曼谱带，因此可以作为Li沉积发生的独特标记。“我们发现这种乙炔化峰仅在石墨电极表面存在微小的锂核时形成，”亚伯拉罕说。锂金属的存在也通过称为表面增强拉曼散射的过程增强了拉曼峰值，

目前，Argonne团队正在对电池充电后进行拉曼光谱分析 - 下一步是实时进行相同类型的测量。目标是通过在细胞中的窗口射出激光并在拉曼光谱中寻找乙炔化物的存在来观察成核位点的生长。“如果我们能看到乙炔峰的存在，就告诉我们存在活性锂成核，”亚伯拉罕告诉我们。

“从实际角度来看，可能有趣的事情是，石墨颗粒的形态如何影响锂电镀，或者如何设计电极以便在表面不会发生锂电镀，”亚伯拉罕说。“如果锂离子可以快速扩散通过电极，那么在快速充电过程中电镀的可能性要小得多。”

高级编辑凯文克莱门斯30多年来一直在撰写有关能源，汽车和交通主题的文章。他拥有材料工程和环境教育硕士学位以及机械工程博士学位，专攻空气动力学。他在他的工作室里建立了几个关于电动摩托车的世界陆地速度记录。