北理工團(tuán)隊(duì)在電池堆疊壓力理論研究方面取得重要進(jìn)展
發(fā)布日期:2025-08-26 供稿:材料學(xué)院 攝影:材料學(xué)院
編輯:劉曉雪 審核:程興旺 閱讀次數(shù):
在追求高能量密度電池的道路上,科研人員往往將重點(diǎn)集中在材料改性和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上,卻忽視了一個(gè)簡(jiǎn)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(kù)侖效率(從60%增至90%),并且能使循環(huán)壽命延長(zhǎng)六倍以上;另一方面,當(dāng)前高庫(kù)侖效率(>99%)的電池設(shè)計(jì)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(kāi)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(duì)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(guó)際頂級(jí)期刊《Nature Energy》(影響因子:60.1)上發(fā)表。通過(guò)對(duì)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(shí)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(guò)程中面臨的實(shí)際問(wèn)題(過(guò)大壓力和空間分布不均)。作者主張對(duì)這一基礎(chǔ)方面進(jìn)行重點(diǎn)研究,深入理解堆疊壓力將有助于開(kāi)發(fā)出更可靠、更實(shí)用的電池設(shè)計(jì)。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。文章鏈接:https://doi.org/10.1038/s41560-025-01820-x。

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(duì)發(fā)現(xiàn)孔隙問(wèn)題是導(dǎo)致電池性能衰減和失效的關(guān)鍵因素,通過(guò)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(shí),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(dòng)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(gè)將堆疊壓力與電流密度關(guān)聯(lián)起來(lái)的函數(shù),作為評(píng)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(gè)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(duì)于電池運(yùn)行過(guò)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(cè)失效前發(fā)生的不良反應(yīng)仍是一項(xiàng)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(qiáng)調(diào),堆疊壓力是一把雙刃劍,在電池中存在一個(gè)最佳閾值范圍。一旦超過(guò)這個(gè)閾值范圍,過(guò)大堆疊壓力會(huì)導(dǎo)致液態(tài)或者固態(tài)鋰金屬電池中的失效問(wèn)題(圖4),如:集流體的變形和破裂、電極開(kāi)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(guò)大的堆疊壓力產(chǎn)生的問(wèn)題及失效機(jī)制
論文分析了不同電池系統(tǒng)中電池庫(kù)侖效率(圖5a)和堆疊壓力(圖5b)的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù),總結(jié)出如圖5c所示的“臨界堆疊壓力(CSP)”經(jīng)驗(yàn)?zāi)P停潢U明了液態(tài)或者固態(tài)鋰金屬電池中庫(kù)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(yàn)?zāi)P桶琇1(庫(kù)侖效率隨壓力上升至CSPL達(dá)到峰值)、L2(庫(kù)侖效率平臺(tái)期)和L3(過(guò)壓失效)階段;固態(tài)鋰金屬電池的CSP經(jīng)驗(yàn)?zāi)P蛣t包含額外的S0階段(需要高初始?jí)毫SPS1啟動(dòng)電池),隨后是S1(庫(kù)侖效率上升至CSPS2達(dá)到峰值)、S2(庫(kù)侖效率平臺(tái)期)和S3(過(guò)壓失效)階段。CSP經(jīng)驗(yàn)?zāi)P蜑榇_定實(shí)用堆疊壓力提供了重要依據(jù),在CSPL或CSPS2處達(dá)到高庫(kù)侖效率水平的最小堆疊壓力,可作為電池設(shè)計(jì)原則的重要指導(dǎo)方針。

圖5 電池臨界堆疊壓力經(jīng)驗(yàn)?zāi)P图捌浞治?/span>
面向未來(lái),研究團(tuán)隊(duì)提出四大研究方向:建立壓力標(biāo)準(zhǔn)、開(kāi)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(dòng)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M(fèi)Pa降低到0.1 MPa以下,將成為實(shí)現(xiàn)固態(tài)電池商業(yè)化的關(guān)鍵突破點(diǎn)。

圖6 電池中堆疊壓力的未來(lái)發(fā)展方向
課題組在前期研究中重點(diǎn)圍繞高功率/快充型電池、高比能電池設(shè)計(jì)及光輔助電池新體系等方面開(kāi)展了一系列工作,部分代表性工作如下:
1. Recent advances and opportunities in reactivating inactive lithium in batteries, Angewandte Chemie International Edition, 2024, 63(25): e202404554.(IF=16.9,第一作者:李千雅博士)(電池中非活性鋰激活的最新進(jìn)展和機(jī)遇)論文鏈接:https://doi.org/10.1002/anie.202404554。
2. Coassembly of ultrathin lithium with dual lithium-free electrodes for long-lasting sulfurized polyacrylonitrile batteries, Nano Letters, 2025, 25(6): 2266-2274.(IF=9.1,第一作者:汪弘毅碩士)(超薄鋰與雙無(wú)鋰電極共組裝開(kāi)發(fā)長(zhǎng)效硫化聚丙烯腈電池,實(shí)現(xiàn)豐產(chǎn)元素基電極的應(yīng)用)論文鏈接:https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.4c05550。
3. A room temperature rechargeable Li–LiNO3 battery with high capacity,Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 2025, 122 (3) e2416817122. (IF=9.1, 第一作者:胡正強(qiáng)博士)(利用新型電解質(zhì)開(kāi)發(fā)高比能可充電Li-LiNO3電池)論文鏈接:https://doi.org/10.1073/pnas.2416817122。
4. Confinement-regulated lamellar interphase with enhanced dielectric environments for lithium metal batteries, ACS Nano 2025, 19(22): 21007-21019.(IF=18.0,第一作者:呂睿鑫博士)(開(kāi)發(fā)用于鋰金屬電池的限制調(diào)節(jié)層狀界面相與增強(qiáng)的介電環(huán)境,提升電池界面穩(wěn)定性)論文鏈接:https://doi.org/10.1021/acsnano.5c04491。
5. Strengthened O-H bonds in an aqueous electrolyte for nonflammable Li-ion batteries, ACS nano, 2025, 19(17): 16584-16596.(IF=16.0,第一作者:李勝昔碩士生)(通過(guò)調(diào)控水系電解質(zhì)的結(jié)構(gòu)以強(qiáng)化O-H鍵,提升不可燃鋰離子電池的低溫性能)論文鏈接:https://doi.org/10.1021/acsnano.5c00202。
6. Strong association dual lithium salts for ether-based electrolyte enable 4.5 V high-voltage lithium metal battery, Energy Storage Materials, 2025, 78: 104264.(IF=20.2,第一作者:孫立譜碩士生)(強(qiáng)締合雙鋰鹽醚基電解質(zhì)可實(shí)現(xiàn)4.5V高壓鋰金屬電池)論文鏈接:https://doi.org/10.1016/j.ensm.2025.104264。
7. Cutting-edge developments at the interface of inorganic solid-state electrolytes, Advanced Materials, 2025: 2502653.(IF=26.8,第一作者:陳怡博士生)(無(wú)機(jī)固態(tài)電解質(zhì)界面的前沿進(jìn)展研究)論文鏈接:https://doi.org/10.1002/adma.202502653。
8. Hopping-phase ion bridge enables fast Li+ transport in functional garnet-type solid-state battery at room temperature, Advanced Materials, 2025, 37(11): 2415966.(IF=26.8,第一作者:楊斌斌博士生)(跳躍相離子橋?qū)崿F(xiàn)室溫下功能性石榴石型固態(tài)電池中鋰離子的快速傳輸)論文鏈接:https://doi.org/10.1002/adma.202415966。
9. Photo-induced dynamic catalytic domains for high-performance Lithium-Sulfur batteries, Advanced Materials, 2025: 2506839.(IF=26.8,第一作者:劉毓皓博士生)(用于高性能鋰硫電池的光誘導(dǎo)動(dòng)態(tài)催化域)論文鏈接:https://doi.org/10.1002/adma.202506839。
10. Lean-water hydrogel with multipolar sites for flexible and high-performance aqueous aluminum ion batteries, Advanced Materials, 2025, 37(15): 2500695.(IF=26.8,第一作者:溫子越博士生)(用于柔性高性能水系鋁離子電池的多極位點(diǎn)貧水凝膠)論文鏈接:https://doi.org/10.1002/adma.202500695。
附作者簡(jiǎn)介:
李千雅,北京理工大學(xué)材料學(xué)院2023級(jí)博士,師從陳人杰教授、葉玉勝教授,主要研究方向?yàn)榭斐滗囯姵氐臒o(wú)機(jī)SEI膜及電解液設(shè)計(jì)。
劉浩,北京理工大學(xué)材料學(xué)院2023級(jí)博士,師從李麗教授、葉玉勝教授,主要研究方向?yàn)榭斐滗囯姵氐墓δ茈娊庖汉徒缑嬖O(shè)計(jì)。
葉玉勝,北京理工大學(xué)準(zhǔn)聘教授,博士生導(dǎo)師,國(guó)家海外高層次青年人才,發(fā)表學(xué)術(shù)論文100余篇,他引近10000次,H因子54。2018年至2023年在美國(guó)斯坦福大學(xué)崔屹教課題組從事博士后研究工作,圍繞高功率/快充型鋰(離子)電池開(kāi)展創(chuàng)新研究,在Nature、Science、Nature Energy等期刊發(fā)表的多項(xiàng)研究成果被BBC News、MIT Technology Review、Science News、Science Daily、美國(guó)能源部新聞等報(bào)道。2023年6月入職以來(lái),講述《儲(chǔ)能材料與技術(shù)》《能源材料》《先進(jìn)碳材料(英)》《新能源與環(huán)境材料工程設(shè)計(jì)與應(yīng)用》等本科生、研究生課程,參與新能源方向的教學(xué)項(xiàng)目,聚焦電源材料的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與機(jī)理創(chuàng)新開(kāi)展系統(tǒng)研究工作,在電源的自響應(yīng)關(guān)鍵材料設(shè)計(jì)與制備、離子傳質(zhì)動(dòng)力學(xué)、高性能電極-電解質(zhì)界面構(gòu)筑技術(shù)等方面取得重要?jiǎng)?chuàng)新成果。
李麗,北京理工大學(xué)教授,博士生導(dǎo)師。國(guó)家級(jí)領(lǐng)軍人才,英國(guó)皇家化學(xué)學(xué)會(huì)會(huì)士等。長(zhǎng)期從事新型綠色二次電池關(guān)鍵材料設(shè)計(jì)、廢舊電池回收處理與資源化利用和綠色二次電池衰減機(jī)理與智能診斷等方面的教學(xué)和科研工作。
陳人杰,北京理工大學(xué)教授,博士生導(dǎo)師。國(guó)家級(jí)領(lǐng)軍人才,英國(guó)皇家化學(xué)學(xué)會(huì)會(huì)士、中國(guó)工程前沿杰出青年學(xué)者等。主要從事多電子高比能二次電池新體系及關(guān)鍵材料、新型離子液體及功能復(fù)合電解質(zhì)材料、特種電源用新型薄膜材料與結(jié)構(gòu)器件、智能電池及信息能源融合交叉技術(shù)等方面的教學(xué)和科研工作。
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