恒定堆叠压力在全固态电池测试中的主要作用是作为电池内部发生的物理变化的机械补偿器。具体来说，它施加持续的外部力（通常在 20-100 MPa 之间）来抵消锂离子插入和提取过程中正极活性材料不可避免的体积膨胀和收缩。通过这样做，它保持了内部微观结构，并确保电池随着时间的推移保持性能。
核心要点 与能够流动以填充空隙的液体电解质不同，固态界面在材料在循环过程中收缩或膨胀时无法自我修复。恒定堆叠压力是桥接这些间隙所需的外部力，确保电极和电解质保持紧密的物理接触，以防止离子传输路径失效。
物理挑战：体积波动
要理解压力的必要性，首先必须了解电化学循环过程中活性材料的行为。
膨胀和收缩
在充电和放电过程中，活性材料——特别是正极——会发生物理上的“呼吸”。当锂离子插入或提取晶格时，材料会经历显著的体积膨胀和收缩。
固-固的劣势
在传统电池中，液体电解质会简单地流动以填充这种运动产生的任何间隙。然而，在全固态电池（ASSB）中，电解质是刚性的。
如果没有外部干预，正极的收缩会在活性材料和固体电解质之间产生微观间隙。这种物理分离会破坏离子传输路径，导致电池该部分失效。
施加压力的功能
通过专用夹具施加恒定堆叠压力，通过三个具体机制来解决与体积波动相关的风险。
保持界面完整性
堆叠压力的主要功能是防止分层。
通过施加持续的压缩力，即使在正极收缩时，测试夹具也能将各层推回在一起。这确保了电极和电解质之间的固-固界面在整个循环过程中保持紧密有效的物理接触。
稳定离子传输
电池只有在离子能够穿过阳极和阴极之间时才能工作。
压力确保离子传输路径保持稳定。通过防止界面处空隙或裂纹的形成，压力保持了较低的界面阻抗。这使得锂离子能够有效地穿过层之间的边界，这对于保持库仑效率至关重要。
抑制接触电阻
微观表面不规则性可能导致高电阻区域。
均匀的压力，根据材料的不同，有时范围从千帕或兆帕不等，可以使这些不规则性变得平坦。这种接触面积的最大化最大限度地减少了电池的内阻，直接提高了电池的倍率性能和容量利用率。
理解权衡：压力大小
虽然 ASSB 中对压力的需求是普遍的，但所需的压力大小因所用材料而异。
可变的压力要求
没有单一的“正确”压力。主要参考资料建议一般正极稳定范围为20-100 MPa。然而，补充数据显示，测试环境可以从低至0.1 MPa到高达120 MPa。
材料依赖性
- 硅负极：通常需要特定的范围（例如，5-25 MPa）来管理其极端的体积膨胀而不开裂。
- 锂金属：需要压力（例如，15 MPa）来抑制剥离过程中的空隙形成并确保均匀沉积。
- 正极复合材料：所需的压力通常取决于正极活性材料（CAM）的特定“透气性”。
研究人员必须根据具体化学成分校准压力；压力过小会导致接触损失，而过大的压力可能会损坏隔膜或导致电池短路。
为您的目标做出正确选择
在设计全固态电池的测试方案时，压力的应用应该是经过计算的，而不是任意的。
- 如果您的主要关注点是循环寿命：优先选择较高、稳定的压力（例如，20-100 MPa），以积极对抗体积收缩，并防止导致容量衰减的累积分层。
- 如果您的主要关注点是界面研究：使用能够维持特定较低范围压力（1-17 MPa）的精密夹具，以隔离和研究 CAM/SE 界面的基本阻抗特性，而不会因过度用力而掩盖其影响。
最终，恒定堆叠压力是使刚性、可呼吸的系统能够作为一个凝聚的电化学单元运行的人工约束。
总结表：
| 机制 | 对电池性能的影响 | 关键功能 |
|---|---|---|
| 界面完整性 | 防止分层 | 在材料收缩期间保持紧密的物理接触 |
| 离子传输稳定性 | 保持低阻抗 | 确保锂离子运动的连续路径 |
| 电阻抑制 | 提高倍率性能 | 通过使表面不规则性平坦来最小化接触电阻 |
| 体积补偿 | 延长循环寿命 | 作为活性材料“呼吸”的机械补偿器 |
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参考文献
- Fengyu Shen, Michael C. Tucker. Optimization of catholyte for halide-based all-solid-state batteries. DOI: 10.1016/j.jpowsour.2025.236709
本文还参考了以下技术资料 Kintek Press 知识库 .
