固态电解质中锂驱动应力变化监测

电池在可再生能源持续转型的过程中发挥着不可替代的作用，特别是可充电锂离子电池（LIB）日益成为消费电子、电网、航空航天和电动汽车等战略新兴行业的主导力量。基于无机固体电解质的全固态锂离子电池（ASSB）可提供更高的安全性，更是下一代储能产业有力的候选者。

随着锂离子电池广泛在各领域应用，其大规模使用引发的安全性和可靠性等问题也逐渐成为人们关注的焦点。在电池充放电过程中电极产生的化学机械应力及其引起的电极材料体积变化是影响电池循环寿命的重要因素。目前，通过电化学透射电镜、原子力显微镜等原位手段可以直观地观察到充放电过程中应力所引起的电极材料形貌变化（如开裂、塌陷等），但在微观尺度上，特别是对电池内部的应力变化检测仍缺乏有效手段。探索可植入电池内部的原位检测技术，是当前研究面临的难点。

据麦姆斯咨询报道，近期，法国科学院Jean-Marie Tarascon教授及其团队提出一种可用于监测电池电极以及电极/电解液界面应力的方法，利用光纤光栅（FBG）传感器对含有液态或固态电解质的电池进行非侵入性地测量，从而获取与电池内部应力变化相关的信息。该研究在微观尺度下，实现了对电极材料在电化学储能过程中内部应力变化的测量，对推动高能量密度、高循环寿命电池的研究意义重大。该研究成果已发表于Nature Communications期刊。

Jean-Marie Tarascon教授是发明聚合物锂离子电池（PLB）的鼻祖，他开创了将软包装材料应用于锂电池的先例，从而使聚合物锂离子电池成为当前主流电池产品之一。

在此次研究中，Jean-Marie Tarascon教授及其团队利用FBG传感器对含有液态或固态电解质的InLix和LixSi电极中锂驱动的应力变化进行了监测，并展示了FBG传感器在各种全固态电池装置（InLix | Li3PS4 | Li4Ti5O12或InLix | Li3PS4 | InLix）中不同位置的工作场景。借助经验和理论模型的数据分析，研究团队对电极和界面上的应力变化情况进行了分析评估。

实验装置及FBG传感器工作原理；InLix ||钛酸锂（LTO）液态电解质电池中锂驱动的应力监测实验

InLix | LPS | LTO全固态电池中锂驱动的应力监测实验

对称InLix | LPS | InLix全固态电池装置中锂驱动的应力监测实验

利用放置在InLix电极和固态电解质LPS之间界面上的FBG传感器，研究团队成功地监测到了电极的应力变化。通过监测电池循环过程中的光学信号，并将其转化为压力信号且与电压曲线相关联，在电极水平上定量地获取到了锂驱动的局部应力变化，证明了这种原位表征技术对全固态锂离子电池局部灵敏度十分有益，而这在具有外力传感器的全固态锂离子电池中从未实现过。此外，研究团队还成功区分了纳米和微米硅颗粒对锂离子吸收的电极行为，并分析了电极孔隙率对颗粒膨胀的重要性。

Jean-Marie Tarascon教授及其团队称，FBG传感器在监测局部机械应力方面具有巨大潜力，不过，要精确地确定复合电极等机械复杂系统中应力的起源和变化，未来还需要开展大量研究工作，包括不断优化电池硬件设计以使FBG传感器更容易地集成和定位在电池组件内，此外，还要进一步加强锂驱动的材料机械性能（如杨氏模量）变化的理论研究，以更深入地解释观察到的应力变化。

原文标题：光纤光栅传感器“问诊”电池：非侵入性应力测量

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审核编辑：彭菁