由于零過量鋰，無負極鋰金屬電池（AFLMB）可提供比傳統(tǒng)鋰金屬電池高得多的能量密度。然而，AFLMB易遭受容量快速損失和壽命短的問題。監(jiān)測和分析 AFLMB的容量衰減對其未來的應用非常重要，而其中監(jiān)測和區(qū)分不可逆/可逆體積膨脹是關(guān)鍵。

在此，華中科技大學黃云輝教授、孫琪真教授及李真教授等人開發(fā)了一種原位光纖傳感器衍生監(jiān)測技術(shù)，以實現(xiàn)基于LiNi_0.5Mn_0.3Co_0.2O₂（NMC532）的AFLMB 在全生命周期內(nèi)的應變演化及其operando解碼。通過將光纖布拉格光柵（FBG）傳感器連接到多層無負極軟包電池的表面，成功地監(jiān)測了電池的應變演變并與其電化學特性相關(guān)聯(lián)。

此外，應變演化的operando解碼是在多種表征方法的幫助下實現(xiàn)的，包括SEM和超聲成像。結(jié)果顯示，應變信號隨電壓擺動。這意味著表面應變與荷電狀態(tài)（SOC）密切相關(guān)，為監(jiān)測電池的SOC提供了新的策略。值得注意的是，應變在放電結(jié)束前達到最低值并隨后增加。這歸因于無負極電池的特性：厚SEI呈現(xiàn)出多孔和剛性結(jié)構(gòu)，不會隨著鋰剝離而收縮。相反，NMC532材料隨著鋰的嵌入而膨脹，引起應變信號的增加。

圖1. FBG傳感器監(jiān)測電池電化學循環(huán)和應變信號

電池的可逆性和不可逆性體積膨脹與容量衰減密切相關(guān)，表面應變可有效表征體積膨脹的影響。應變演化最小值代表SEI和死鋰引起的累積體積，在每次循環(huán)后都有增加的趨勢。這說明鋰與電解液的無休止反應不僅產(chǎn)生死鋰，而且使SEI變厚，導致活性鋰的損失和軟包電池不可逆的體積膨脹。作者基于SEM表征分析了電極的形態(tài)變化表明，隨著SEI和死鋰的積累，整個軟包電池變得更厚，這種現(xiàn)象與每個循環(huán)中最小應變的增加是一致的。

最后，作者揭示了表面應變變化與容量衰減之間的關(guān)系，即活性鋰損失引起的表面應變波動幅度下降是完全失效的先行指標。因此，這項研究所提出的傳感技術(shù)具有出色的多路復用能力，可被視為下一代電池管理系統(tǒng)中容量衰減分析的基本單元。

圖2. 電極的形態(tài)變化及與容量衰減的聯(lián)系

Operando Decoding of Surface Strain in Anode-Free Lithium Metal Batteries via Optical Fiber Sensor, Advanced Science 2022. DOI: 10.1002/advs.202203247