近年來(lái)，隨著新能源汽車(chē)的蓬勃發(fā)展，人們對(duì)動(dòng)力電池的能量密度和安全性提出了更高的要求，固態(tài)鋰電池（SSB）因具有高能量密度和高安全性的特點(diǎn)，在電動(dòng)汽車(chē)領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。
然而，在固態(tài)鋰電池運(yùn)行過(guò)程中，因不受控的鋰枝晶生長(zhǎng)而面臨短路問(wèn)題，從而引起電池失效和安全隱患，嚴(yán)重阻礙了其實(shí)際應(yīng)用。亟需在充分掌握電池失效機(jī)制的基礎(chǔ)上，開(kāi)發(fā)提升電池性能的新技術(shù)。
2025年4月18日，華中科技大學(xué)黃云輝教授團(tuán)隊(duì)與同濟(jì)大學(xué)羅巍教授團(tuán)隊(duì)合作，在國(guó)際頂尖學(xué)術(shù)期刊 Science 上發(fā)表了題為：Fatigue of Li metal anode in solid-state batteries 的研究論文。
該研究揭示了鋰金屬疲勞是固態(tài)鋰電池循環(huán)過(guò)程中性能劣變的主要原因，同時(shí)提出了通過(guò)增加疲勞強(qiáng)度來(lái)改善固態(tài)鋰電池循環(huán)穩(wěn)定性的新策略。
疲勞是金屬材料在受到循環(huán)載荷作用時(shí)普遍面臨的問(wèn)題，這種載荷會(huì)在遠(yuǎn)低于極限拉伸強(qiáng)度的應(yīng)力水平下誘發(fā)微裂紋和斷裂失效。
在這項(xiàng)最新研究中，研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)原位掃描電子顯微鏡和相場(chǎng)模擬，確定了固態(tài)鋰電池的失效與鋰金屬陽(yáng)極的疲勞密切相關(guān)，這顯著導(dǎo)致了固態(tài)電池中界面退化和枝晶生長(zhǎng)。
研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步證實(shí)，鋰金屬的這種疲勞遵循評(píng)估金屬疲勞的 Coffin-Manson 方程，表明這種疲勞是一種鋰金屬的固有特性。
這項(xiàng)研究不僅揭示了鋰金屬疲勞失效是固態(tài)鋰電池循環(huán)過(guò)程中性能劣變的主要原因，同時(shí)也提出了通過(guò)增加疲勞強(qiáng)度來(lái)改善固態(tài)鋰電池循環(huán)穩(wěn)定性的新策略。
(a) 固態(tài)鋰電池中金屬鋰負(fù)極疲勞失效示意圖；(b,c) 通過(guò)鋰合金化增加疲勞強(qiáng)度改善固態(tài)鋰電池循環(huán)穩(wěn)定性
總的來(lái)說(shuō)，這項(xiàng)研究闡明鋰金屬疲勞的本質(zhì)作用，為理解固態(tài)鋰電池的失效提供了物理基礎(chǔ)，并為延長(zhǎng)其使用壽命、設(shè)計(jì)下一代長(zhǎng)壽命固態(tài)鋰電池鋪平了道路。
同濟(jì)大學(xué)為該論文第一完成單位，同濟(jì)大學(xué)羅巍教授和華中科技大學(xué)黃云輝教授為論文共同通訊作者，同濟(jì)大學(xué)博士生王騰銳、陳波副教授及西南交通大學(xué)電氣工程學(xué)院劉毅杰助理教授為論文共同第一作者。
論文鏈接：
https://www.science.org/doi/10.1126/science.adq6807
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