嵌入式压力传感器在硅负极全固态电池的开发中充当实时诊断工具。它们的主要作用是在电池循环过程中监测堆叠压力的波动，直接读取锂化（充电）和脱锂（放电）过程中负极材料内部发生的体积应变。
通过将物理膨胀转化为可读的压力曲线，这些传感器使研究人员能够定量测量应力。这些数据对于验证特定负极结构是否能成功缓解膨胀、抑制开裂并保持电池结构完整性至关重要。
实时监测体积应变
跟踪锂化和脱锂
硅负极在吸收和释放锂离子时会发生显著的体积变化。嵌入式传感器在电池循环过程中持续跟踪这些物理变化。
这提供了负极在电化学负载下行为的动态视图，而不仅仅是静态的事后分析。
量化膨胀应力
收集的数据作为体积应变的定量指标。通过观察产生的压力大小，研究人员可以精确确定负极对周围固体电解质和电池封装施加了多大的机械应力。
这使得电池的充电状态与作用其中的内部机械力之间能够进行精确关联。
验证混合负极结构
评估缓解策略
硅的主要挑战在于其膨胀和降解的倾向。研究人员使用压力传感器来评估混合解决方案的有效性，例如锂-铝框架。
通过比较标准硅负极和混合设计的压力曲线，工程师可以验证新结构是否成功吸收或重定向了膨胀应力。
检测结构完整性和裂纹
压力数据充当机械故障的早期预警系统。压力曲线图中的突然下降或异常可能表明裂纹萌生或负极材料的粉化。
监测这些趋势有助于确认特定设计在重复循环中是否保持结构完整性。
区分监测与组装
施加压力与监测压力
区分传感器在运行期间测量的压力与制造过程中施加的压力至关重要。
虽然嵌入式传感器在运行期间监测变化，但在组装过程中会使用高压实验室液压机施加强烈的轴向压力（例如，380 MPa）。
初始致密化的作用
液压机创造了一个初始高压环境，以促进材料致密化。这减少了电极内的孔隙率，并确保硅颗粒与固体电解质之间紧密的物理接触。
嵌入式传感器并不产生这种压力；它们跟踪一旦电池开始循环，这种致密化结构在多大程度上保持在一起。
将其应用于电池开发
如果您的主要关注点是材料工程：
- 使用嵌入式压力传感器生成比较曲线，以验证您的混合框架在循环过程中是否能有效降低膨胀应力。
如果您的主要关注点是制造质量：
- 关注液压机参数，以确保足够的致密化，在电池进入测试阶段之前最大限度地减少界面接触电阻。
如果您的主要关注点是循环寿命分析：
- 利用传感器数据确定发生压力异常的确切循环次数，从而精确找到裂纹萌生的时刻。
集成实时压力监测将硅膨胀从不可预测的危险转变为可测量、可管理的变量。
总结表：
| 功能 | 主要优势 | 测量类型 |
|---|---|---|
| 实时监测 | 跟踪锂化/脱锂过程中的体积应变 | 动态压力曲线 |
| 应力量化 | 测量对电解质的机械力 | 定量体积应变 |
| 结构验证 | 评估混合负极设计的有效性 | 应力缓解分析 |
| 故障检测 | 识别裂纹萌生和材料粉化 | 压力曲线异常 |
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参考文献
- Shijie Xu, Yongan Yang. High-Performance Silicon Anode Empowered by Lithium-Aluminum Alloy for All-Solid-State Lithium-Ion-Batteries. DOI: 10.2139/ssrn.5556781
本文还参考了以下技术资料 Kintek Press 知识库 .
