【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】在追求高能量密度電池的道路上，科研人員往往將重點集中在材料改性和結(jié)構(gòu)設(shè)計上，卻忽視了一個簡單卻十分關(guān)鍵的因素——堆疊壓力。一方面，僅提高堆疊壓力就能顯著提升庫侖效率(從60%增至90%)，并且能使循環(huán)壽命延長六倍以上；另一方面，當(dāng)前高庫侖效率(>99%)的電池設(shè)計需要使用不同的堆疊壓力(圖1)。因此，理解堆疊壓力如何影響電池性能以及確定其最優(yōu)范圍，是當(dāng)前電池研究與開發(fā)面臨的關(guān)鍵挑戰(zhàn)。2025年8月，北京理工大學(xué)吳鋒院士、陳人杰教授團(tuán)隊聚焦于電池中的堆疊壓力發(fā)表了前瞻性文章，以“The Critical Importance of Stack Pressure in Batteries”為題在國際頂級期刊《Nature Energy》(影響因子：60.1)上發(fā)表。通過對海量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)電池存在最佳堆疊壓力范圍，在該范圍內(nèi)施加堆疊壓力能實現(xiàn)電池的最優(yōu)電化學(xué)性能。作者探討了堆疊壓力的主要作用、電化學(xué)-機(jī)械關(guān)系以及電池堆疊壓力使用過程中面臨的實際問題(過大壓力和空間分布不均)。作者主張對這一基礎(chǔ)方面進(jìn)行重點研究，深入理解堆疊壓力將有助于開發(fā)出更可靠、更實用的電池設(shè)計。北京理工大學(xué)葉玉勝教授、李麗教授、陳人杰教授為論文的通訊作者，材料學(xué)院博士研究生李千雅同學(xué)和劉浩同學(xué)為論文的共同第一作者。
圖1 鋰離子電池、液態(tài)鋰金屬電池和固態(tài)鋰金屬電池中堆疊壓力的示意圖及范圍
研究團(tuán)隊發(fā)現(xiàn)孔隙問題是導(dǎo)致電池性能衰減和失效的關(guān)鍵因素，通過施加適當(dāng)堆疊壓力，可有效減少鋰枝晶孔隙、晶界孔隙、固態(tài)電解質(zhì)/活性材料界面孔隙等多種孔隙的形成(圖2)。同時，作者發(fā)現(xiàn)電池堆疊壓力與電化學(xué)性能存在顯著的動態(tài)關(guān)聯(lián)(圖3)。堆疊壓力能夠反映電化學(xué)性能，已有研究提出了一個將堆疊壓力與電流密度關(guān)聯(lián)起來的函數(shù)，作為評估固態(tài)鋰金屬電池中孔隙形成的方法(圖3a,b)。此外，斯坦福大學(xué)崔屹教授基于鋰離子電池中單位電荷下的堆疊壓力變化(dP/dQ)定義了一個析鋰閾值(圖3c)。盡管在建立堆疊壓力-電化學(xué)性能之間的聯(lián)系方面取得了一定進(jìn)展，但對于電池運行過程中的堆疊壓力-電化學(xué)關(guān)系的理解仍然不足，并且準(zhǔn)確預(yù)測失效前發(fā)生的不良反應(yīng)仍是一項具有挑戰(zhàn)性的任務(wù)。
圖2 堆疊壓力在電池中抑制孔隙的作用
圖3 電池中電化學(xué)性能與堆疊壓力機(jī)械作用之間的關(guān)系
該論文強調(diào)，堆疊壓力是一把雙刃劍，在電池中存在一個最佳閾值范圍。一旦超過這個閾值范圍，過大堆疊壓力會導(dǎo)致液態(tài)或者固態(tài)鋰金屬電池中的失效問題(圖4)，如：集流體的變形和破裂、電極開裂、材料粉碎、鋰金屬變形導(dǎo)致的短路、隔膜孔隙閉合、固態(tài)電解質(zhì)機(jī)械疲勞引發(fā)的裂紋以及枝晶穿刺導(dǎo)致的短路。
圖4 過大的堆疊壓力產(chǎn)生的問題及失效機(jī)制
論文分析了不同電池系統(tǒng)中電池庫侖效率(圖5a)和堆疊壓力(圖5b)的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，總結(jié)出如圖5c所示的“臨界堆疊壓力(CSP)”經(jīng)驗?zāi)Ｐ停潢U明了液態(tài)或者固態(tài)鋰金屬電池中庫侖效率和堆疊壓力之間的關(guān)系。液態(tài)鋰金屬電池的CSP經(jīng)驗?zāi)Ｐ桶琇1(庫侖效率隨壓力上升至CSPL達(dá)到峰值)、L2(庫侖效率平臺期)和L3(過壓失效)階段；固態(tài)鋰金屬電池的CSP經(jīng)驗?zāi)Ｐ蛣t包含額外的S0階段(需要高初始壓力CSPS1啟動電池)，隨后是S1(庫侖效率上升至CSPS2達(dá)到峰值)、S2(庫侖效率平臺期)和S3(過壓失效)階段。CSP經(jīng)驗?zāi)Ｐ蜑榇_定實用堆疊壓力提供了重要依據(jù)，在CSPL或CSPS2處達(dá)到高庫侖效率水平的最小堆疊壓力，可作為電池設(shè)計原則的重要指導(dǎo)方針。
圖5 電池臨界堆疊壓力經(jīng)驗?zāi)Ｐ图捌浞治?br />
面向未來，研究團(tuán)隊提出四大研究方向：建立壓力標(biāo)準(zhǔn)、開發(fā)堆疊壓力診斷方法、控制空間均勻性、以及優(yōu)化堆疊壓力使用數(shù)值(圖6)，特別是在電動汽車等大規(guī)模應(yīng)用中，如何將固態(tài)電池的工作壓力從目前的數(shù)百MPa降低到0.1 MPa以下，將成為實現(xiàn)固態(tài)電池商業(yè)化的關(guān)鍵突破點。
圖6 電池中堆疊壓力的未來發(fā)展方向
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