近日，上海交通大學(xué)密西根學(xué)院教師薄首行團隊在國際著名的學(xué)術(shù)出版機構(gòu)Cell Press旗下的《Cell Reports Physical Science》期刊在線發(fā)表了題為“3D Stress Mapping Reveals the Origin of Lithium-Deposition Heterogeneity in Solid-State Lithium-Metal Batteries”（固態(tài)電池三維應(yīng)力成像揭示鋰金屬非均勻沉積的本因）的研究論文。研究結(jié)果為厘清固態(tài)電池電化學(xué)-力學(xué)耦合機制提供了強有力的工具，為充分釋放固態(tài)電池的應(yīng)用潛力奠定了堅實基礎(chǔ)。研究所發(fā)展的應(yīng)力成像方法也可應(yīng)用于諸如芯片加工等重要工業(yè)領(lǐng)域。

固態(tài)電池因其高安全性和高能量密度而廣受學(xué)界與產(chǎn)業(yè)界的關(guān)注，但仍然面臨諸多重大挑戰(zhàn)，難以在短期內(nèi)實現(xiàn)大規(guī)模應(yīng)用。其中，鋰金屬枝晶在固態(tài)電解質(zhì)內(nèi)部生長而導(dǎo)致電池迅速短路是主要挑戰(zhàn)之一。在電池循環(huán)過程中，鋰金屬枝晶的生長與固態(tài)電池內(nèi)部應(yīng)力變化高度耦合。但是，當前并無微觀三維應(yīng)力成像的有效手段，也就無法厘清應(yīng)力變化與鋰金屬枝晶生長的耦合關(guān)系。

薄首行團隊開展的研究中基于共聚焦拉曼的固態(tài)電池微觀應(yīng)力成像方法測量了電池制備及充放電前后固態(tài)電解質(zhì)內(nèi)部的微觀應(yīng)力演化過程，揭示了固態(tài)電解質(zhì)中應(yīng)力分布和鋰枝晶生長之間的定量關(guān)系。研究發(fā)現(xiàn)，充放電過程中鋰金屬的沉積會導(dǎo)致固態(tài)電解質(zhì)局部壓應(yīng)力的累積，其應(yīng)力可高達約1 GPa（壓強單位）?；谌S應(yīng)力成像的實驗數(shù)據(jù)，團隊進一步提出了電化學(xué)-力學(xué)耦合模型，闡釋了鋰金屬不均勻沉積主要源于固態(tài)電解質(zhì)表面不均勻分布的微觀應(yīng)力所導(dǎo)致的鋰沉積過電勢差異。

薄首行副教授是論文的通訊作者，密院研究生胡金華為第一作者。其他作者還包括密院研究生孫哲韜、郜一蓉、李坪、吳屹凡和陳施威，密院沈泳星副教授，交大分析測試中心王瑞斌老師，北京高壓科學(xué)中心李娜娜與楊文革研究員。論文受到了國家重點研發(fā)計劃（2021YFB3800300）的資助。（來源：上海交大）