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大牛Jean-Marie Tarascon最新Nature子刊: 光學(xué)傳感器原位監(jiān)測鋰基電池內(nèi)部應(yīng)力變化

研究循環(huán)過程中電池電極中發(fā)生的化學(xué)-機(jī)械應(yīng)力對于延長設(shè)備的使用壽命至關(guān)重要，尤其是全固態(tài)電池（ASSB）。由于固態(tài)電解質(zhì)的剛性，應(yīng)力可以通過設(shè)備傳遞。然而，應(yīng)力監(jiān)測通常依賴于電池外部的傳感器提供設(shè)備級別的信息，而無法檢測到局部變化。

在此，法蘭西公學(xué)院Jean-Marie Tarascon教授等人研究了使用光纖型布拉格光柵（FBG）傳感器對基于液態(tài)或固態(tài)電解質(zhì)的Swagelok或紐扣電池電極中的鋰驅(qū)動應(yīng)力進(jìn)行非侵入式原位監(jiān)測。對于概念驗證，作者選擇了鋰合金電極，已知這些電極在吸收或脫除鋰時會發(fā)生很大的體積變化。通過監(jiān)測循環(huán)期間光波長信號 (Δλ_B) 的變化并將其轉(zhuǎn)換為電化學(xué)驅(qū)動的應(yīng)力變化（Δσ），可在電極水平上定量地獲取鋰驅(qū)動的局部應(yīng)力，這在具有外力傳感器的ASSB中從未實現(xiàn)過。

在通過FBG傳感器進(jìn)行應(yīng)力監(jiān)測的過程中，還成功區(qū)分了納米和微米Si顆粒對鋰吸收的電極行為，同時揭示了孔隙率在緩沖電極膨脹中的重要性，從而為確定適當(dāng)?shù)难h(huán)范圍以最大限度地減少容量損失提供了線索。

圖1. 液態(tài)電解質(zhì)Li||Si電池中的鋰驅(qū)動應(yīng)力監(jiān)測

此外，通過利用雙折射現(xiàn)象，作者證明了當(dāng)FBG傳感器放置在固體InLi_x|Li₃PS₄（LPS）界面時獲得Li驅(qū)動應(yīng)力場的方向各向異性的可行性，重新結(jié)合了兩種不同彈性的材料。

最后，作者發(fā)現(xiàn)在對稱的InLi_x | LPS | InLi_x電池中，外部應(yīng)力傳感器完全監(jiān)測不到電極水平上發(fā)生的應(yīng)力變化（在循環(huán)中顯示Δσ的穩(wěn)定性）。而放置在InLi_x電極和固態(tài)電解質(zhì)LPS之間界面的FBG則成功地監(jiān)測了電極在循環(huán)過程中的應(yīng)力變化，從而突出了全固態(tài)電池中內(nèi)部監(jiān)測所帶來的優(yōu)勢。

總而言之，通過 FBG 傳感器進(jìn)行內(nèi)應(yīng)力診斷有可能在電池領(lǐng)域提供巨大的機(jī)會，無論是在基礎(chǔ)層面上深入了解界面和電極內(nèi)的化學(xué)機(jī)械過程，還是在面向提高Si 基電極和ASSB實際性能方面。

圖2. InLi_x | LPS | InLi_x對稱全固態(tài)電池內(nèi)部的應(yīng)力監(jiān)測

Optical sensors for operando stress monitoring in lithium-based batteries containing solid-state or liquid electrolytes, Nature Communications 2022. DOI: 10.1038/s41467-022-28792-w

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