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大牛Jean-Marie Tarascon最新Nature子刊: 光學傳感器原位監測鋰基電池內部應力變化

研究循環過程中電池電極中發生的化學-機械應力對于延長設備的使用壽命至關重要，尤其是全固態電池（ASSB）。由于固態電解質的剛性，應力可以通過設備傳遞。然而，應力監測通常依賴于電池外部的傳感器提供設備級別的信息，而無法檢測到局部變化。

在此，法蘭西公學院Jean-Marie Tarascon教授等人研究了使用光纖型布拉格光柵（FBG）傳感器對基于液態或固態電解質的Swagelok或紐扣電池電極中的鋰驅動應力進行非侵入式原位監測。對于概念驗證，作者選擇了鋰合金電極，已知這些電極在吸收或脫除鋰時會發生很大的體積變化。通過監測循環期間光波長信號 (Δλ_B) 的變化并將其轉換為電化學驅動的應力變化（Δσ），可在電極水平上定量地獲取鋰驅動的局部應力，這在具有外力傳感器的ASSB中從未實現過。

在通過FBG傳感器進行應力監測的過程中，還成功區分了納米和微米Si顆粒對鋰吸收的電極行為，同時揭示了孔隙率在緩沖電極膨脹中的重要性，從而為確定適當的循環范圍以最大限度地減少容量損失提供了線索。

圖1. 液態電解質Li||Si電池中的鋰驅動應力監測

此外，通過利用雙折射現象，作者證明了當FBG傳感器放置在固體InLi_x|Li₃PS₄（LPS）界面時獲得Li驅動應力場的方向各向異性的可行性，重新結合了兩種不同彈性的材料。

最后，作者發現在對稱的InLi_x | LPS | InLi_x電池中，外部應力傳感器完全監測不到電極水平上發生的應力變化（在循環中顯示Δσ的穩定性）。而放置在InLi_x電極和固態電解質LPS之間界面的FBG則成功地監測了電極在循環過程中的應力變化，從而突出了全固態電池中內部監測所帶來的優勢。

總而言之，通過 FBG 傳感器進行內應力診斷有可能在電池領域提供巨大的機會，無論是在基礎層面上深入了解界面和電極內的化學機械過程，還是在面向提高Si 基電極和ASSB實際性能方面。

圖2. InLi_x | LPS | InLi_x對稱全固態電池內部的應力監測

Optical sensors for operando stress monitoring in lithium-based batteries containing solid-state or liquid electrolytes, Nature Communications 2022. DOI: 10.1038/s41467-022-28792-w

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