该研究由Guocheng Li、Taolue Zhang、Jiayue Tang、Mingtao Liu、Yizhan Xie、Jingya Yu、Xiaobin Hui、Canbin Deng、Xibin Lu、Yoonseob Kim、Jiaqiang Huang和Zheng-Long Xu等作者共同完成,研究机构包括香港理工大学、香港科技大学(广州)和长江大学等。该研究于2025年发表在《Advanced Materials》期刊上,题为《Decoding Chemo-Mechanical Failure Mechanisms of Solid-State Lithium Metal Battery under Low Stack Pressure via Optical Fiber Sensors》。
研究的学术背景主要围绕固态锂金属电池(All Solid-State Lithium Metal Batteries, ASSLBs)的界面问题和锂枝晶(dendritic Li)渗透问题展开。尽管固态锂金属电池因其高能量密度和安全性被视为下一代电池技术的重要候选,但其在低堆栈压力(low stack pressure)下的界面退化和锂枝晶生长问题严重影响了电池的性能和寿命。因此,理解并掌握这些化学-机械失效机制(chemo-mechanical failure mechanisms)对于推动固态锂金属电池的实际应用至关重要。该研究旨在通过嵌入式光纤传感器(optical fiber sensor)实时监测界面应力的变化,揭示低堆栈压力下固态锂金属电池的失效机制,并提出改进策略。
研究的工作流程分为以下几个步骤:
1. 实验设计与电池组装:研究人员首先设计了一种基于光纤布拉格光栅(Fiber Bragg Grating, FBG)传感器的实验装置,用于实时监测固态锂金属电池在充放电过程中界面应力的变化。实验对象为对称结构的Li||PLL||Li电池(PLL为聚合物-陶瓷混合固态电解质),并在低堆栈压力(3 MPa)下进行测试。
2. 应力监测与数据分析:通过FBG传感器,研究人员实时记录了电池充放电过程中界面应力的变化,并分析了应力幅值(amplitude)和异质性(heterogeneity)的演变。FBG传感器的原理是利用光的布拉格波长(Bragg wavelength)变化来反映温度和应力的变化。研究人员还开发了一种仅对温度敏感的FBG传感器,以排除温度对应力信号的影响。
3. 材料表征与模拟验证:通过扫描电子显微镜(SEM)和聚焦离子束(FIB-SEM)等技术,研究人员对电池的界面形貌进行了表征,并结合有限元分析(COMSOL Multiphysics)模拟了界面应力的分布情况。
4. 改进策略的提出与验证:基于实验结果,研究人员提出了一种锂-锡(Li-Sn)复合负极模型,通过均匀的锂沉积和剥离行为改善界面应力分布。研究人员组装了Li-Sn||PLL||Li-Sn电池,并进行了长期循环测试,验证了其在高性能和低堆栈压力下的稳定性。
研究的主要结果包括:
1. 界面应力监测结果:FBG传感器的实时监测数据显示,Li||PLL||Li电池在充放电过程中界面应力迅速增加且分布不均,尤其是在锂枝晶生长区域。应力幅值在第三个循环结束时达到80 MPa,且应力分布呈现明显的异质性。
2. 界面形貌与应力分布:SEM和FIB-SEM图像显示,Li||PLL||Li电池在循环后界面出现大量微孔和锂枝晶,导致界面接触恶化。有限元模拟结果进一步证实了界面应力的不均匀分布,应力集中在界面中心区域,增加了电池短路的可能性。
3. Li-Sn复合负极的性能:Li-Sn||PLL||Li-Sn电池在低堆栈压力下表现出优异的循环稳定性,界面应力分布均匀,最大应力仅为12 MPa。长期循环测试显示,Li-Sn复合负极电池在3000小时内保持稳定,显著优于纯锂负极电池。
研究的结论是,通过FBG传感器实时监测界面应力变化,揭示了低堆栈压力下固态锂金属电池的化学-机械失效机制。不均匀的锂沉积和剥离行为导致界面应力集中和锂枝晶生长,最终引发电池短路。Li-Sn复合负极通过均匀的锂沉积行为有效改善了界面应力分布,显著提高了电池的循环稳定性和安全性。该研究不仅为固态锂金属电池的界面应力调控提供了定量分析方法,还为低堆栈压力下高性能固态电池的设计提供了重要指导。
研究的亮点包括:
1. 创新性的实验方法:首次将FBG传感器应用于固态锂金属电池的界面应力监测,实现了对界面应力幅值和异质性的实时定量分析。
2. 重要的科学发现:揭示了低堆栈压力下固态锂金属电池的化学-机械失效机制,提出了Li-Sn复合负极作为改进策略。
3. 实际应用价值:Li-Sn复合负极在低堆栈压力下的优异性能为固态锂金属电池的商业化应用提供了重要技术支持。
此外,研究还展示了Li-Sn复合负极在全电池(full cell)中的实际应用潜力。使用NCM(LiNi0.6Co0.2Mn0.2O2)正极组装的NCM||PLL||Li-Sn全电池在低堆栈压力下表现出高比容量和优异的循环稳定性,进一步验证了该策略的实用性。