大牛Jean-Marie Tarascon最新Nature子刊: 光学传感器原位监测锂基电池内部应力变化

研究循环过程中电池电极中发生的化学-机械应力对于延长设备的使用寿命至关重要，尤其是全固态电池（ASSB）。由于固态电解质的刚性，应力可以通过设备传递。然而，应力监测通常依赖于电池外部的传感器提供设备级别的信息，而无法检测到局部变化。

在此，法兰西公学院Jean-Marie Tarascon教授等人研究了使用光纤型布拉格光栅（FBG）传感器对基于液态或固态电解质的Swagelok或纽扣电池电极中的锂驱动应力进行非侵入式原位监测。对于概念验证，作者选择了锂合金电极，已知这些电极在吸收或脱除锂时会发生很大的体积变化。通过监测循环期间光波长信号 (Δλ_B) 的变化并将其转换为电化学驱动的应力变化（Δσ），可在电极水平上定量地获取锂驱动的局部应力，这在具有外力传感器的ASSB中从未实现过。

在通过FBG传感器进行应力监测的过程中，还成功区分了纳米和微米Si颗粒对锂吸收的电极行为，同时揭示了孔隙率在缓冲电极膨胀中的重要性，从而为确定适当的循环范围以最大限度地减少容量损失提供了线索。

图1. 液态电解质Li||Si电池中的锂驱动应力监测

此外，通过利用双折射现象，作者证明了当FBG传感器放置在固体InLi_x|Li₃PS₄（LPS）界面时获得Li驱动应力场的方向各向异性的可行性，重新结合了两种不同弹性的材料。

最后，作者发现在对称的InLi_x | LPS | InLi_x电池中，外部应力传感器完全监测不到电极水平上发生的应力变化（在循环中显示Δσ的稳定性）。而放置在InLi_x电极和固态电解质LPS之间界面的FBG则成功地监测了电极在循环过程中的应力变化，从而突出了全固态电池中内部监测所带来的优势。

总而言之，通过 FBG 传感器进行内应力诊断有可能在电池领域提供巨大的机会，无论是在基础层面上深入了解界面和电极内的化学机械过程，还是在面向提高Si 基电极和ASSB实际性能方面。

图2. InLi_x | LPS | InLi_x对称全固态电池内部的应力监测

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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