中国科大团队利用原位应力信号揭示磷酸铁锂电极空间异质性
发布时间: 2026-07-24 16:50:15
近日，中国科学技术大学工程科学学院热科学和能源工程系谈鹏教授团队在锂离子电池电极反应动力学表征方面取得重要进展。研究团队提出基于锂离子电池原位应力分析技术（ISLE），测量磷酸铁锂（LFP）电极在充放电过程中的法向应力变化，成功重建了电极厚度方向上反应位点的时空演化。相关成果以“Mechanical Signals Revealing Spatial Heterogeneity in Lithium Iron Phosphate Electrodes”为题，以封面论文形式发表于国际知名期刊ACS Energy Letters。
磷酸铁锂凭借其本征安全、长循环寿命和低成本优势，已成为电动汽车和规模储能领域的核心正极材料。然而，其较低的电子电导率和锂离子扩散动力学限制了倍率性能。更为关键的是，磷酸铁锂在脱嵌锂过程中涉及复杂的相变行为，其跨尺度的反应异质性难以通过常规表征手段在电极尺度上实时解析。传统X射线衍射（XRD）技术提供的信号为深度平均响应，无法区分沿电极厚度方向的局域梯度；高分辨显微技术（如TEM、STEM）虽可揭示单颗粒尺度的相演化，但难以反映整体电极行为。因此，如何在宏观尺度上无损、实时地捕获电极内部反应前沿的时空演化，一直是未解难题。
图1 原位应力信号反演电极空间反应位点。
针对上述挑战，研究团队提出了一种无需空间扫描的信号解码新思路。该方法的物理基础在于：磷酸铁锂在脱嵌锂过程中晶格体积变化约为6.5%–7%，这些体积变化通过电极内部颗粒间的力链网络传递，最终转化为宏观应力信号。由于电极中不同空间位置的颗粒对应力信号的传递效率存在差异，团队利用这一内在的空间敏感性，通过逆向分析非均匀应力信号，反演了活性反应位点的时空分布。实验中，采用零应变的钛酸锂（LTO）作为对电极，构建单层软包电池，并结合高精度力传感器实现了原位法向应力信号的实时监测与反演解析（图1）。
借助这一工具，研究团队对磷酸铁锂电极的反应异质性进行了系统研究。在37.55 μm厚的薄电极、0.1C恒流条件下，原位应力信号整体线性度良好（R⟡=0.9951），但微分分析显示系统性非线性波动（变异系数0.03459），与均匀嵌锂模型的预测不符。为进一步验证，团队将电池充电至50%荷电状态后拆解，对电极表层和底部区域进行热重分析，结果显示表层为脱锂相（FePO4），底部为锂化相（LiFePO4），证实反应位点在厚度方向上呈非均匀分布。结合蒙特卡洛模拟和力链网络模型，研究阐明非线性应力信号源于应力在颗粒间传递的衰减效应：应变信号每经过一个颗粒层便产生损耗，距界面越远贡献越小。薄电极中心区域的应变传递效率仅为边缘的61.2%。基于此，重建的脱锂过程显示反应前沿从电极表面向集流体方向推进（图2）。
图2 空间位点动态演化与非线性特征的直接对应映射规律
对于厚度为66.45 μm的厚电极，中心传递效率进一步降至55.6%，非线性增强（R⟡=0.9912），且反应前沿在过程中发生两次反向迁移，表明反应动力学受离子传输、电子导电及颗粒网络连通性等多因素耦合影响。该工作表明，微分应力信号可作为高灵敏探针解析电极尺度的时空反应动力学，为理解相分离型电极的异质性行为提供了新的力学视角。该策略还可与导电网络设计、梯度孔隙率电极等优化策略相结合，为厚电极结构设计提供实验依据。
工程科学学院热科学和能源工程系贺兴民博士为该论文的第一作者，谈鹏教授为通讯作者。本工作得到何享健青年科学家项目（HERF2025018）和中国科学院稳定支持基础研究领域青年团队计划（YSBR-098）的资助。
论文链接：https://doi.org/10.1021/acsenergylett.6c01511
（工程科学学院、科研部）
本文链接：http://knowith.com/news-3-6285.html中国科大团队利用原位应力信号揭示磷酸铁锂电极空间异质性
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