薄首行团队实现固态电池三维应力成像

近日，上海交通大学密西根学院教师薄首行团队在国际著名的学术出版机构Cell Press旗下的《Cell Reports Physical Science》期刊在线发表了题为“3D Stress Mapping Reveals the Origin of Lithium-Deposition Heterogeneity in Solid-State Lithium-Metal Batteries”（固态电池三维应力成像揭示锂金属非均匀沉积的本因）的研究论文。研究结果为厘清固态电池电化学-力学耦合机制提供了强有力的工具，为充分释放固态电池的应用潜力奠定了坚实基础。研究所发展的应力成像方法也可应用于诸如芯片加工等重要工业领域。

固态电池因其高安全性和高能量密度而广受学界与产业界的关注，但仍然面临诸多重大挑战，难以在短期内实现大规模应用。其中，锂金属枝晶在固态电解质内部生长而导致电池迅速短路是主要挑战之一。在电池循环过程中，锂金属枝晶的生长与固态电池内部应力变化高度耦合。但是，当前并无微观三维应力成像的有效手段，也就无法厘清应力变化与锂金属枝晶生长的耦合关系。

薄首行团队开展的研究中基于共聚焦拉曼的固态电池微观应力成像方法测量了电池制备及充放电前后固态电解质内部的微观应力演化过程，揭示了固态电解质中应力分布和锂枝晶生长之间的定量关系。研究发现，充放电过程中锂金属的沉积会导致固态电解质局部压应力的累积，其应力可高达约1 GPa（压强单位）。基于三维应力成像的实验数据，团队进一步提出了电化学-力学耦合模型，阐释了锂金属不均匀沉积主要源于固态电解质表面不均匀分布的微观应力所导致的锂沉积过电势差异。

薄首行副教授是论文的通讯作者，密院研究生胡金华为第一作者。其他作者还包括密院研究生孙哲韬、郜一蓉、李坪、吴屹凡和陈施威，密院沈泳星副教授，交大分析测试中心王瑞斌老师，北京高压科学中心李娜娜与杨文革研究员。论文受到了国家重点研发计划（2021YFB3800300）的资助。（来源：上海交大）