崔光磊/董杉木等AEM：多种手段厘清全固态电池中的电-化学-机械的耦合

研究背景

全固态电池（ASSB）被公认为最重要的下一代电池技术之一，其开发关键取决于对电化学反应机制和同步降解原因的基本理解。

在这方面，使用各种探测技术，如光学显微镜、扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM）、飞行时间二次离子质谱（TOF-SIMS）、X射线光电子能谱（XPS）、磁共振成像、中子深度剖析和（同步加速器）X射线计算机断层扫描（CT），可用于表征发生电化学和降解反应的固界面的物理、化学和机械转化。

这些努力在某种程度上揭示了成分、结构和机械变化如何在固固界面上演变。话虽如此，由于对深埋和动态演变的固固界面的理解不完整，这些因素相互作用的精确耦合机制仍然难以实现。

解决上述挑战的一个潜在途径是将非侵入性探测工具和理论建模相结合。然而，仍然缺乏精确的实验表征和先进的建模技术，能够从根本上阐明ASSB中固-固界面的电-化学-力学耦合。

图文导读

青岛能源所崔光磊研究员/董杉木研究员和德国亥姆霍兹中心的Chao Yang在Advanced Energy Materials上发表文章，Clarifying the Electro-Chemo-Mechanical Coupling in Li₁₀SnP₂S₁₂ based All-Solid-State Batteries，利用多种表征技术来厘清了在含有硫化物Li₁₀SnP₂S₁₂电解质的全固态电池中的电-化学-机械耦合。

在此，作者将（同步加速器）X射线断层扫描（SX-CT）、电化学阻抗光谱（EIS）、飞行时间二次离子质谱（TOF-SIMS）和有限元分析（FEA）建模联合用于解耦基于Li₁₀SnP₂S₁₂的ASSB中的电-化学-机械耦合。作者利用定制的电池模具实现了对电池进行无损、原位的SX-CT扫描，结果直观地揭示了（电）化学生成的SEI、Li₁₀SnP₂S₁₂电解质的机械变形以及锂阳极的蠕变行为。

EIS测试表明，电化学循环和静置过程中内部阻抗是逐渐增加的，提供了与之前一致的结果。TOF-SIMS实现了对（电）化学生成的界面中进行元素分布测试，得到了元素分布的深度图。EIS和TOF-SIMS结果将界面/电极特性与整体电池性能联系起来。

FEA详细说明了伴随界面机械变形的应变/应力，这是由电极|电解质界面的巨大体积变化引起的。此外，FEA还模拟了电解质的形貌变化对电势场和离子通量分布的影响。

这些结果表明：

1）（电）化学反应引起的界面体积变化可以触发固体电极和电解质的机械变形；

2）整个电化学过程可以加速界面化学反应；

3）重新配置的界面反过来影响固态电解质内部的电势分布和电荷传输。

这些迄今为止尚未报告的基本发现预计将极大地加深我们对固固界面上复杂的电-化学-机械耦合的理解，并提供启发性的见解，设计更强大和可靠的界面，以加速ASSB的进一步发展。

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