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哈工大娄帅锋团队Angew：“数字孪生”辅助解析高载量固态电池不可逆容量损失与激活策略

能源学人 · 公众号 · · 2025-03-12 08:00

正文

【研究背景】

固态电池被认为是解决商用锂离子电池本质安全问题并提升能量密度的可行方案。尽管新型电解质的研发和电池结构优化能够显著提升其性能，但固态电池在介观尺度的电化学基本原理尚未完全明晰。传统的固-液体系的电极过程动力学理论难以适用于固-固体系，尤其是在高载量电极中，电极厚度增加限制了离子的传输效率及可逆性，电压极化显著增大，并加剧其内部非均质反应。因此，深入研究高载量固态电池电极中的离子传输行为，对于完善固态电池介观尺度电化学机理具有重要意义。

【工作介绍】

近日，哈尔滨工业大学娄帅锋教授团队通过同步辐射X射线断层成像技术耦合数字孪生技术，结合数字模型驱动的仿真结果，发现并揭示了固态电池中高载量NCM811电极中Li ⁺ 分布在纵向梯度上的非线性异质现象，并首次提出了“锂捕获”模型用于解释该现象引发的不可逆容量损失。此外，通过原位光聚合策略构建局部离子传输路径，以激活“锂捕获”效应，从根本上解决高载量电极低电导率和高迂曲度问题，提高锂扩散可逆性，该策略可以显著指导下一代储能电池的可持续设计。

该文章以“ Digital-Twin-Assisted Insights into Irreversible Capacity and Activation Strategy Power High-Loading Solid-State Batteries”为题目发表在国际知名期刊 Angew. Chem. Int. Ed. 上面，硕士毕业生孙业财、博士生宁延滨、强卓敏为论文共同第一作者。

【核心要点】

要点一：与传统模拟仿真不同之处在于，该工作中所使用的电极三维模型来自于同步辐射X射线断层成像而非理想模型，通过三维可视化技术在数字空间中重构出高精度的固态电池高载量电极数字孪体。在数字孪生技术的驱动下发现了固态电池高载量电极中离子传输的“三明治”结构异质性。

要点二：该工作提出了电解质“锂捕获”模型，用于解释高载量固态电池的容量不可逆损失现象。传统观点认为靠集流体侧的活性颗粒，由于离子传输路径较远，其电化学反应不明显。改论文对其不可逆容量和离子传输机制提出了新的见解，由于高负载电极中的离子传输的高迂曲度及低离子电导率，其电极内部中间层呈现“贫锂”状态。

要点三：该工作通过构建局部加速路径，提出了一种激活“锂捕获”的新策略。采用塑结类电解质的原位聚合，大幅度缩短离子传输距离和路径迂曲度，从而提高了电解质中“锂捕获”引起的容量不可逆性。

【内容详情】

图1 固态电池性能与电极载量的关系。（a）锂离子电池和固态锂离子电池中活性材料载量与比容量的变化关系。（b）高载量电极和低载量电极的截面图。（c）高载量正极在固态锂离子电池和锂离子电池中的初始放电曲线，以及低载量正极在固态锂离子电池中的初始放电曲线。（d）高载量正极在固态锂离子电池中的初始充放电曲线。（e）高载量电极和低载量电极中锂离子通量的空间分布假设示意图。

图2 基于X射线CT数据的孔隙率和迂曲度度分析。（a）三维重建电极，包含活性材料（AM）相、碳/粘结剂域（CBD）相和孔隙相。（b）典型电极的一个原始切片的顶视图和横截面视图。（c）孔隙相的骨架彩色图，显示孔径分布。从三维断层扫描中提取的孔隙结构三维图，其中球体代表局部孔中心。（d）孔隙空间对离子传输迂曲度的影响示意图。（e）质心路径迂曲度的定义示意图。（f）沿z轴的x-y平面上活性材料（NCM）、碳/粘结剂域（CBD）和孔隙的面积分数分布。（g）从集流体到电解质之间的质心路径曲折度的空间分布。比例尺为50微米。（h）沿z轴的x-y平面上质心路径曲折度的统计分布。（i）从集流体到电解质之间的模拟离子通量。

图3 数字孪生高载量电极的动力学模拟与分析。（a）固态锂离子电池高载量电极中锂离子传输示意图。（b）在100%放电深度（DOD）时，电极中活性颗粒/电解质反应界面的锂离子浓度、锂离子通量和反应过电位的空间分布。电解质侧位于顶部，离子电流从顶部（电解质侧）流向底部（集流体侧）。（c）电极中反应电荷的空间分布，以及（d）活性颗粒/电解质反应界面处的提取电流值。中间层在放电结束时显示出最高的反应电流，表明反应热点集中在电极的中间层。（e）从顶部到底部电极平面的锂离子状态（SoL）平面统计，其中选择的SoL平面已标出。（f）三种电极的平面SoL统计比较，包括高载量电极、低载量电极和高载量电极。（g）和（h）比较每种活性材料像素的SoL统计直方图，其中主要峰值的SoL值用不同颜色标记。（i）提出的“电解质中锂捕获”模型，黄色区域代表初始锂分布和脱嵌过程，蓝色区域代表放电过程中来自电解质的锂。

图4 高载量电极的不均匀性分析。（a）在电极截面上标记的三个区域示意图，分别为I（顶层）、II（中间层）和III（底层）。（b）固态锂离子电池中高载量电极三个区域的拉曼图谱。（c）高载量正极的顶层、中层和底层的XPS分析。（d）固态锂离子电池中高载量正极的顶层、中层和底层的XRD对比，其中插图为（003）峰位置的对比。（e）同步辐射扫描透射X射线显微镜（STXM）示意图。（f）不同位置的正极颗粒的ptychography STXM振幅（光学密度）图像（比例尺为1微米）和准定量化学相图。（g）不同位置的正极颗粒的Ni L边X射线吸收图谱（XAS）。（h）原始电极、固态锂离子电池和锂离子电池中高载量正极的XAS图谱。（i）单颗粒锂捕获模型示意图，展示了初始循环和多次循环后的锂捕获现象。

图5 局部加速离子路径实现高载量电极的高可逆性。（a）在电极制备过程中，通过紫外光诱导原位聚合反应构建局部加速离子传输路径的示意图。（b）原位聚合反应前后的截面扫描电子显微镜（SEM）图像。大多数孔隙被聚合后的固态电解质填充。（c）固态锂离子电池中原始高载量正极和改性高载量正极在0%放电深度（SOC）时的阻抗谱（Nyquist图）。（d）改性高载量正极在固态锂离子电池中的初始三个充放电曲线。（e）改性高载量正极在固态锂离子电池中的库仑效率和比容量的初始三个循环。（f）在固态锂离子电池中，改性二维高载量正极在完全放电状态下的有限元模拟。

Yecai Sun , Yanbin Ning , Zhuomin Qiang , Lizhi Xiang, Qingsong Liu, Chaoqun Zhang, Guoce Quan, Yan Zhang, Biao Deng, Geping Yin, Tiefeng Liu, Jiajun Wang, Shuaifeng Lou, Digital-Twin-Assisted Insights into Irreversible Capacity and Activation Strategy Power High-Loading Solid-State Batteries, Angew. Chem. Int. Ed. , 2025.

DOI：10.1002/anie.202502169

https://doi.org/10.1002/anie.202502169

【通讯作者简介】

娄帅锋

哈工大娄帅锋团队Angew：“数字孪生”辅助解析高载量固态电池不可逆容量损失与激活策略

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