多步间接活化策略揭示磷酸铁锂/石墨电池界面演化与老化机制【科学指南针·计算支持·2025】

北京理工大学苏岳锋教授、陈来研究员团队在《Nano-Micro Letters》发表创新研究成果，通过多步间接活化策略成功提升磷酸铁锂/石墨软包电池循环寿命与界面稳定性。科学指南针为本研究提供DFT和COMSOL计算支持，助力界面机理解析与性能优化。

研究背景与电池老化挑战

磷酸铁锂电池凭借高安全性、长寿命和低成本优势，在储能领域应用广泛。然而，长期循环过程中的界面失效和铁离子溶解问题严重制约电池性能提升，亟需创新解决方案。

核心技术瓶颈：

• 电极/电解质界面膜失效导致容量衰减

• 铁离子溶解引发连锁副反应

• 界面不均匀性加剧阻抗增长

• 传统活化策略界面调控效果有限

• 多尺度老化机制不明确

创新方法：多步间接活化策略

研究团队开发多步间接活化新策略，通过阶梯电流调控界面成膜过程，实现界面稳定性突破。

技术突破要点：

• 阶梯电流法引导均匀界面膜形成

• 有机-无机复合界面增强离子传输

• 同步抑制电解液分解和铁离子溶解

• 优化界面成核与生长动力学

• 提升界面机械强度和化学稳定性

理论计算与机理解析

科学指南针支持的DFT和COMSOL计算深入揭示界面演化机制，为实验设计提供理论指导。

计算研究发现：

• DFT计算从能量角度解释IA策略抑制铁溶解机理

• 差分电荷密度分析界面电子结构变化

• COMSOL模拟量化SEI/CEI均匀性优化效果

• 应力分布模拟揭示界面稳定性提升机制

• 传输动力学分析验证离子传输优化

电化学性能提升

多步间接活化策略显著提升电池综合性能，实现高效稳定循环。

性能卓越表现：

• 容量保持率提升至87.45%（传统策略82.01%）

• 循环寿命延长至650次（45°C加速老化）

• 阻抗增长显著减缓

• 相变可逆性增强

• 锂库存损失降低

图1. 电化学性能综合对比。

界面演化与表征分析

多尺度表征技术系统验证界面优化效果，揭示老化抑制机制。

表征验证结果：

• TOF-SIMS显示IA策略形成薄而均匀的CEI膜

• XPS证实界面副反应产物减少

• HR-TEM观察界面结构完整性提升

• LA-ICP-MS检测铁沉积显著抑制

• 三维化学成像揭示界面空间分布优化

图2. 原位机械与结构演化

老化机制与协同效应

多步间接活化通过多重协同机制抑制电池老化，提升循环稳定性。

机制创新突破：

• 均匀界面膜抑制电解液持续分解

• 铁离子溶解迁移路径有效阻断

• 界面机械强度提升适应体积变化

• 离子传输动力学优化降低极化

• 相变可逆性增强维持结构稳定

应用前景与总结

多步间接活化策略为高性能锂离子电池开发提供新思路，推动储能技术发展。

创新价值总结：

• 多步活化策略实现界面精准调控

• 理论计算与实验验证紧密结合

• 科学指南针计算支持为机理解析提供关键支撑

• 为电池寿命提升提供技术路径

应用前景：

• 动力电池寿命延长

• 储能系统性能优化

• 电池制造工艺改进

• 可再生能源存储应用

论文信息：Nano-Micro Letters, 2025

DOI：10.1007/s40820-025-01971-2

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