恒压测试模具是锂金属固态电池的关键机械稳定器。通过施加稳定的外部力（通常约为 20 MPa），这些模具能够主动补偿锂负极在循环过程中显著的体积膨胀和收缩。这种持续的压力可保持电极与电解质之间紧密的物理接触，这对于抑制枝晶生长、防止空隙形成和减少界面极化至关重要。
固态电池依赖于刚性界面，当活性材料在充电周期中“呼吸”时，这些界面很容易断裂。恒定的外部压力就像一个动态夹具，确保了高效离子传输和长期结构完整性所需的原子级接触。
界面稳定机制
弥合固-固界面间隙
在液体电池中，电解质会自然流入间隙以保持接触。固态电池不具备这一优势。
恒压可确保固态电解质、阴极和锂金属负极之间紧密的物理接触。这种机械力消除了界面间隙，而这些间隙本会成为离子流动的障碍。
降低界面电阻
接触不良会导致阻抗升高。通过将组件压紧在一起，模具可显著降低界面电荷转移电阻。
这种降低使得离子能够自由地跨越边界移动，从而防止了导致电池性能下降的电压下降。
防止局部电流热点
在没有均匀压力的情况下，接触会变得不均匀。这会导致在仍有接触的局部区域出现高电流密度。
这些热点会加速退化，并可能导致故障。恒压可将电流负载均匀地分布在整个活性表面积上。
管理体积波动
补偿负极“呼吸”
锂金属在电镀（充电）和剥离（放电）过程中会发生显著的体积变化。
在没有外部约束的情况下，这种运动会产生空隙——负极从电解质处脱离形成的空隙。测试模具的压力会在这些空隙试图形成的那一刻将其压塌。
抑制枝晶生长
锂枝晶是针状结构，会生长到空隙和裂缝中，可能导致电池短路。
机械支撑限制了这些结构形成的可用空间。通过保持高压，模具在物理上抑制了枝晶的成核和扩展。
防止分层
反复的体积变化会导致电极层完全分离，这一过程称为分层。
持续的压力起到粘合剂的作用。它可防止活性材料脱离，从而在数百个循环中保持电池的机械完整性。
理解权衡
压力强度平衡
虽然压力至关重要，但其大小必须精确。
参考资料表明，需求各不相同，从用于一般操作的 1 MPa 到用于硫等体积变化极大的材料的 60 MPa 不等。
控制不足的风险
如果压力过低，则无法阻止分层或空隙形成。
相反，过大的压力可能会损坏易碎的固体电解质薄膜或使电池组件变形。目标是“恒定”和“限制”压力，而不是无限的力。
为您的目标做出正确选择
为了最大限度地发挥恒压模具在电池开发中的作用，请根据您的具体测试目标调整压力参数。
- 如果您的主要重点是延长循环寿命：优先考虑较高、稳定的压力（例如 20 MPa），以在长期循环中积极抑制空隙形成和枝晶。
- 如果您的主要重点是基础材料分析：使用较低、精确的压力（例如 1 MPa）来模拟实际操作条件，同时确保足够的接触以测量固有材料特性，而不会掩盖缺陷。
- 如果您的主要重点是大体积膨胀材料：实施高限制压力（最高 60 MPa）来抵消极端体积变化，例如在硫基化学品中遇到的情况。
固态电池的成功性能不仅在于化学性质；还在于通过机械工程来创造一个能让该化学性质得以生存的环境。
总结表：
| 机制 | 对电池性能的影响 | 主要优势 |
|---|---|---|
| 界面稳定 | 保持紧密的固-固接触 | 降低界面电阻和极化 |
| 空隙补偿 | 在负极剥离过程中压塌间隙 | 防止分层和电流热点 |
| 枝晶抑制 | 物理限制成核空间 | 防止短路并延长循环寿命 |
| 体积管理 | 均匀分布电流负载 | 确保“呼吸”过程中的结构完整性 |
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参考文献
- Laras Fadillah, Ali Coşkun. Molecular Surface Engineering of Sulfide Electrolytes with Enhanced Humidity Tolerance for Robust Lithium Metal All‐Solid‐State Batteries. DOI: 10.1002/adma.202515013
本文还参考了以下技术资料 Kintek Press 知识库 .
