由于零過量鋰，無(wú)負(fù)極鋰金屬電池（AFLMB）可提供比傳統(tǒng)鋰金屬電池高得多的能量密度。然而，AFLMB易遭受容量快速損失和壽命短的問題。監(jiān)測(cè)和分析 AFLMB的容量衰減對(duì)其未來(lái)的應(yīng)用非常重要，而其中監(jiān)測(cè)和區(qū)分不可逆/可逆體積膨脹是關(guān)鍵。

在此，華中科技大學(xué)黃云輝教授、孫琪真教授及李真教授等人開發(fā)了一種原位光纖傳感器衍生監(jiān)測(cè)技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)基于LiNi_0.5Mn_0.3Co_0.2O₂（NMC532）的AFLMB 在全生命周期內(nèi)的應(yīng)變演化及其operando解碼。通過將光纖布拉格光柵（FBG）傳感器連接到多層無(wú)負(fù)極軟包電池的表面，成功地監(jiān)測(cè)了電池的應(yīng)變演變并與其電化學(xué)特性相關(guān)聯(lián)。

此外，應(yīng)變演化的operando解碼是在多種表征方法的幫助下實(shí)現(xiàn)的，包括SEM和超聲成像。結(jié)果顯示，應(yīng)變信號(hào)隨電壓擺動(dòng)。這意味著表面應(yīng)變與荷電狀態(tài)（SOC）密切相關(guān)，為監(jiān)測(cè)電池的SOC提供了新的策略。值得注意的是，應(yīng)變?cè)诜烹娊Y(jié)束前達(dá)到最低值并隨后增加。這歸因于無(wú)負(fù)極電池的特性：厚SEI呈現(xiàn)出多孔和剛性結(jié)構(gòu)，不會(huì)隨著鋰剝離而收縮。相反，NMC532材料隨著鋰的嵌入而膨脹，引起應(yīng)變信號(hào)的增加。

圖1. FBG傳感器監(jiān)測(cè)電池電化學(xué)循環(huán)和應(yīng)變信號(hào)

電池的可逆性和不可逆性體積膨脹與容量衰減密切相關(guān)，表面應(yīng)變可有效表征體積膨脹的影響。應(yīng)變演化最小值代表SEI和死鋰引起的累積體積，在每次循環(huán)后都有增加的趨勢(shì)。這說明鋰與電解液的無(wú)休止反應(yīng)不僅產(chǎn)生死鋰，而且使SEI變厚，導(dǎo)致活性鋰的損失和軟包電池不可逆的體積膨脹。作者基于SEM表征分析了電極的形態(tài)變化表明，隨著SEI和死鋰的積累，整個(gè)軟包電池變得更厚，這種現(xiàn)象與每個(gè)循環(huán)中最小應(yīng)變的增加是一致的。

最后，作者揭示了表面應(yīng)變變化與容量衰減之間的關(guān)系，即活性鋰損失引起的表面應(yīng)變波動(dòng)幅度下降是完全失效的先行指標(biāo)。因此，這項(xiàng)研究所提出的傳感技術(shù)具有出色的多路復(fù)用能力，可被視為下一代電池管理系統(tǒng)中容量衰減分析的基本單元。

圖2. 電極的形態(tài)變化及與容量衰減的聯(lián)系

Operando Decoding of Surface Strain in Anode-Free Lithium Metal Batteries via Optical Fiber Sensor, Advanced Science 2022. DOI: 10.1002/advs.202203247