实时监测和调控至关重要，因为锂离子在充电过程中沉积在阳极上会导致电池内部发生巨大的物理变化。这个过程会引起体积应变，可能超过 60%，导致外部压力急剧波动，危及电池的结构完整性。如果没有主动调控来补偿这种膨胀，系统将面临机械故障或重要电连接的丢失。
核心要点 全固态锂金属电池的充电过程会产生极大的体积膨胀（>60% 的应变），导致内部压力不稳定。动态调控是维持“恰到好处”区域的唯一方法——防止因压力过大而导致的结构压碎以及因压力过小而导致的接触失效。
物理挑战：体积膨胀
锂沉积的力学原理
当这些电池充电时，锂离子会迁移到阳极并在表面沉积。与离子嵌入结构的传统电池不同，在这里，材料是物理积累的。
这种积累会导致显著的体积膨胀。
应变的量化
这种膨胀的规模并非微不足道。体积应变可能超过60%。
这种巨大的膨胀会导致堆叠产生的外部压力急剧波动。
无调控压力的风险
压力过大的危险
如果压力未得到调控且因膨胀而攀升过高，电池将遭受结构损坏。
补充数据表明，过度的内部机械应力会限制活性材料。这会导致颗粒破裂和电极结构的退化。
压力不足的危险
相反，如果压力过低，电池将面临“接触失效”。
固态电池依靠物理接触来实现导电性。正如补充材料中所引用的，压力不足会减小界面接触面积，导致接触电阻过高。
主动调控的作用
动态补偿
实验室压力设备用于实时调控堆叠压力。
该设备充当补偿机制。它会调整外部力，以平衡锂沉积引起的内部体积变化。
维持界面稳定性
这种调控的主要目标是机械稳定性。
通过主动管理压力，系统可确保阳极和电解质之间的界面在整个充放电循环中保持完整。
理解权衡
接触与完整性的平衡
调控压力是在导电性和结构健康之间取得平衡。
需要高精度的控制，因为容错空间很小。您必须施加足够的压力以确保低电阻和良好的接触面积。
然而，一旦跨越阈值进入过大压力，就会立即面临限制体积膨胀的风险，从而导致内部应力和材料断裂。
为您的目标做出正确选择
为了最大限度地提高全固态锂金属电池的性能，您必须超越静态组装压力，考虑动态运行压力。
- 如果您的主要关注点是循环寿命：优先选择一种在充电阶段主动放松外部压力的调控系统，以适应 >60% 的体积应变并防止颗粒破裂。
- 如果您的主要关注点是效率：确保您的最低压力阈值足够高，以维持电极压实比，防止界面分离时出现的接触电阻尖峰。
该领域的成功不仅取决于所使用的材料，还取决于电池在运行过程中的精确机械管理。
总结表：
| 压力状况 | 对电池的影响 | 主要风险 |
|---|---|---|
| 过高 | 颗粒破裂和电极退化 | 因内部应力导致的结构失效 |
| 过低 | 界面接触面积减小 | 高接触电阻和电气失效 |
| 调控 | 动态补偿 60% 以上的应变 | 优化的循环寿命和界面稳定性 |
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参考文献
- M.K. Han, Chunhao Yuan. Understanding the Electrochemical–Mechanical Coupled Volume Variation of All-Solid-State Lithium Metal Batteries. DOI: 10.1115/1.4069379
本文还参考了以下技术资料 Kintek Press 知识库 .
