崔光磊/董杉木等AEM: 阐明基于Li10SnP2S12的全固态电池中的电-化学-机械耦合作用

阐明全固态电池（ASSB）中固-固电极|电解质界面的电-化学-机械耦合相互作用具有至关重要的意义，但非常具有挑战性，目前仍缺乏精确的实验表征和先进的建模技术。

在此，中科院青岛能源所崔光磊研究员、董杉木研究员及德国亥姆霍兹柏林材料与能源中心Chao Yang等人利用同步加速器X射线断层扫描（SX-CT）、电化学阻抗谱（EIS）、飞行时间二次离子质谱（TOF-SIMS）和有限元分析（FEA）建模共同用于解耦基于Li₁₀SnP₂S₁₂的ASSB中的电-化学-机械耦合作用。

其中，作者通过SX-CT清晰地观察到了电化学诱导的界面相的生成、Li₁₀SnP₂S₁₂固态电解质的意外机械变形及金属锂负极的反常蠕变行为，EIS测试证实了在电池静置和电化学循环过程中其内部阻抗都会逐渐增大的一致结果，TOF-SIMS测试则提供了电化学诱导形成的界面相内部相关元素的超灵敏空间分布的信息。

图1. 定制断层扫描单元和光束线设置的示意图

此外，FEA计算详细说明了伴随界面机械变形而演变的应变/应力，这是由电极|电解质界面处的巨大体积变化引起的。而且，FEA还模拟了电解质的形态变化对电势场分布和离子通量的影响。这些结果表明：

1）由（电）化学反应引起的界面体积变化可以引发固体电极和电解质的机械变形；

2）整体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电解质内的电势分布和电荷传输。

总之，这些迄今为止尚未报道的基本发现有望极大地加深对固-固界面上复杂的电-化学-机械耦合相互作用的理解，并为设计更强大和可靠的界面以加速 ASSB的进一步发展提供启发性的见解。

图2. 电池内电势和离子通量密度的FEA分析结果

Clarifying the Electro-Chemo-Mechanical Coupling in Li₁₀SnP₂S₁₂ based All-Solid-State Batteries, Advanced Energy Materials 2022. DOI: 10.1002/aenm.202103714