黄云辉/孙琪真/李真Adv. Sci.：光纤传感器解析无负极锂金属电池的容量衰减

由于零过量锂，无负极锂金属电池（AFLMB）可提供比传统锂金属电池高得多的能量密度。然而，AFLMB易遭受容量快速损失和寿命短的问题。监测和分析 AFLMB的容量衰减对其未来的应用非常重要，而其中监测和区分不可逆/可逆体积膨胀是关键。

在此，华中科技大学黄云辉教授、孙琪真教授及李真教授等人开发了一种原位光纤传感器衍生监测技术，以实现基于LiNi_0.5Mn_0.3Co_0.2O₂（NMC532）的AFLMB 在全生命周期内的应变演化及其operando解码。通过将光纤布拉格光栅（FBG）传感器连接到多层无负极软包电池的表面，成功地监测了电池的应变演变并与其电化学特性相关联。

此外，应变演化的operando解码是在多种表征方法的帮助下实现的，包括SEM和超声成像。结果显示，应变信号随电压摆动。这意味着表面应变与荷电状态（SOC）密切相关，为监测电池的SOC提供了新的策略。值得注意的是，应变在放电结束前达到最低值并随后增加。这归因于无负极电池的特性：厚SEI呈现出多孔和刚性结构，不会随着锂剥离而收缩。相反，NMC532材料随着锂的嵌入而膨胀，引起应变信号的增加。

图1. FBG传感器监测电池电化学循环和应变信号

电池的可逆性和不可逆性体积膨胀与容量衰减密切相关，表面应变可有效表征体积膨胀的影响。应变演化最小值代表SEI和死锂引起的累积体积，在每次循环后都有增加的趋势。这说明锂与电解液的无休止反应不仅产生死锂，而且使SEI变厚，导致活性锂的损失和软包电池不可逆的体积膨胀。作者基于SEM表征分析了电极的形态变化表明，随着SEI和死锂的积累，整个软包电池变得更厚，这种现象与每个循环中最小应变的增加是一致的。

最后，作者揭示了表面应变变化与容量衰减之间的关系，即活性锂损失引起的表面应变波动幅度下降是完全失效的先行指标。因此，这项研究所提出的传感技术具有出色的多路复用能力，可被视为下一代电池管理系统中容量衰减分析的基本单元。

图2. 电极的形态变化及与容量衰减的联系

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