【摘要】 通过原位压力监测技术揭示固态锂电池循环中的电化学膨胀规律，分析界面裂纹成因，提出零应变电极与压力管理策略，解决60C快充下的电池鼓包问题。

固态电池（SSB）凭借其高安全性和能量密度优势，成为替代传统锂离子电池的理想选择。无机固体电解质可杜绝燃烧风险，而锂金属负极与快充特性（如60C超高倍率充放电）更能突破当前电池技术的性能瓶颈——1C代表1小时充满电，60C意味着1分钟即可完成充放电，展现固态电池在未来储能技术中的巨大潜力。

 

固态电池的膨胀机制与机械挑战

固态电池性能提升的关键在于固体电解质（SE）界面优化，例如通过氧化锂阴极表面涂层（如LiNbO₃）可抑制硫化物电解质与电极的副反应，降低界面电阻。然而，循环过程中的**(电)化学膨胀**仍引发严重问题：

1.​活性材料体积变化：锂化/脱锂过程导致电极反复膨胀收缩（如锡锂合金体积变化达300%）

2.​界面应力累积：刚性氧化物电解质（石榴石型，杨氏模量150GPa）加剧界面开裂

3.​宏观机械应变：X射线断层扫描证实电池弯曲与裂纹（图1）

4.​压力依赖特性：硫代磷酸锂电解质因低模量（18-25GPa）需外部压力维持性能

 

压力监测揭示膨胀规律

实验通过原位压力传感技术发现：

  • 充放电循环中压力变化高度可重复，与电极体积变化直接关联
  • 阳极锂沉积/溶解与阴极脱嵌锂的体积波动是压力波动的核心驱动因素
  • 无约束电池出现0.5-2%的高度变化，加速界面接触失效

关键结论：固态电池需机械约束设计与零应变电极材料​（如Li₄Ti₅O₁₂）以缓解膨胀破坏

 

技术突破方向

1.​柔性电解质开发：硫化物电解质（Li₆PS₅Cl等）通过冷压成型适应体积变化

2.​梯度界面设计：纳米涂层+复合阴极构筑缓冲层（图2）

3.​智能压力管理系统：动态调节束力维持最佳电接触压力（推荐值：3-10MPa）

 

行业应用价值

该研究通过原位压力监控量化了固态电池膨胀行为，为高倍率固态电池开发提供关键数据支撑。解决电化学膨胀问题将加速固态电池在电动汽车与储能电站的商用进程。

 

参考文献：1.Zhang W, Schröder D, Arlt T, et al. (Electro) chemical expansion during cycling: monitoring the pressure changes in operating solid-state lithium batteries[J]. Journal of Materials Chemistry A, 2017, 5(20): 9929-9936.

 

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