目前，全固態(tài)鋰金屬電池技術(shù)已成為最具前景的下一代高比能、高安全電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)。與傳統(tǒng)液態(tài)電池中的液-固界面不同，全固態(tài)電池中的固-固界面深埋在電池內(nèi)部，而且金屬鋰負(fù)極的水氧敏感、質(zhì)地柔軟等特性使得常規(guī)表征技術(shù)難以用于全固態(tài)鋰金屬電池的研究。因此，原位表征技術(shù)的缺乏阻礙了科研人員對(duì)固-固界面的深入研究，導(dǎo)致電池失效機(jī)制不清晰，嚴(yán)重制約著全固態(tài)鋰金屬電池技術(shù)快速發(fā)展。
為解決上述問(wèn)題，青島能源所固態(tài)能源系統(tǒng)技術(shù)中心潛心鉆研多年，先后在全固態(tài)電池原位表征技術(shù)、界面失效機(jī)制、多尺度多物理場(chǎng)理論模擬和機(jī)器學(xué)習(xí)方面取得系列進(jìn)展（Nature Communications, 2020, 11, 5889；Small Methods, 2021, 5, 2100442）。近期，在全固態(tài)鋰金屬電池電-化-力耦合失效機(jī)制方面取得重要進(jìn)展。相關(guān)成果于近日發(fā)表在Advanced Energy Materials《先進(jìn)能源材料》上。
固態(tài)能源系統(tǒng)技術(shù)中心與德國(guó)亥姆霍茲柏林材料與能源研究中心、德國(guó)聯(lián)邦材料研究所合作，依托無(wú)損、原位、三維可視化地同步輻射X射線成像技術(shù)，捕捉到了全固態(tài)鋰金屬電池循環(huán)后的固態(tài)電解質(zhì)機(jī)械形變、鋰金屬電極蠕變、以及界面反應(yīng)引起的電池內(nèi)短路行為，同時(shí)觀察到了鋰金屬電極與硫化物固態(tài)電解質(zhì)界面反應(yīng)產(chǎn)物的三維分布和反應(yīng)界面的動(dòng)態(tài)移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)全固態(tài)鋰金屬電池電-化-力多物理場(chǎng)行為的原位三維可視化表征。同步輻射X射線成像技術(shù)成功解決了全固態(tài)電池中金屬鋰電極的原位可視化表征問(wèn)題，為電池失效機(jī)制的研究提供了技術(shù)保障。
此外，研究人員還率先發(fā)展同步輻射X射線成像結(jié)合其它表征聯(lián)用新技術(shù)，結(jié)合有限元（FEA）分析技術(shù)，進(jìn)一步闡釋了全固態(tài)鋰金屬電池的電-化-力耦合機(jī)制及其與電池失效的內(nèi)在聯(lián)系。研究發(fā)現(xiàn)，（電）化學(xué)反應(yīng)可以引起固態(tài)電解質(zhì)和電極材料劇烈地機(jī)械形變，而機(jī)械形變及（電）化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)物反過(guò)來(lái)又會(huì)通過(guò)影響固態(tài)電池內(nèi)部電勢(shì)分布、離子濃度分布和離子通量等關(guān)鍵參數(shù)造成全固態(tài)鋰金屬電池性能衰退。
基于先進(jìn)的原位表征技術(shù)和多尺度多物理場(chǎng)理論模擬方法開展的全固態(tài)電池失效機(jī)制前瞻基礎(chǔ)研究，為發(fā)展界面精準(zhǔn)調(diào)控策略及關(guān)鍵原位聚合技術(shù)奠定了基礎(chǔ)，為從根本上解決全固態(tài)電池失效問(wèn)題提供了創(chuàng)新思路，同時(shí)為全固態(tài)電池的性能突破提供了重要的理論支撐和關(guān)鍵技術(shù)保障。
論文第一作者是孫富博士，通訊作者楊超博士，董杉木研究員，崔光磊研究員。上述系列工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金、中國(guó)科學(xué)院戰(zhàn)略先導(dǎo)項(xiàng)目、山東省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃等項(xiàng)目的支持與資助。（文/圖 孫富 馬君 鞠江偉 董杉木）
Fu Sun#, Chao Wang#, Markus Osenberg, Kang Dong, Shu Zhang, Chao Yang,* Yantao Wang, Andr Hilger, Jianjun Zhang, Shanmu Dong,* Henning Markotter, Ingo Manke, and Guanglei Cui*. Clarifying the Electro-Chemo-Mechanical Coupling in Li10SnP2S12 based All-Solid-State Batteries. Adv. Energy Mater. 2022, 2103714.
全固態(tài)電池電化學(xué)-化學(xué)-機(jī)械力學(xué)多物理場(chǎng)耦合與電池失效關(guān)系示意圖
