材料研究进展—聚焦材料科学研究前沿，洞察材料研究最新进展。100多万材料专业领域硕博教师们订阅的微信大号。点击标题下蓝字“材料研究进展”关注，我们将为您提供有价值、最前沿的材料研究进展资讯。锂离子电池是新能源汽车与大规模储能领域的核心储能装置，电极材料在快充及长期循环过程中会产生显著体积形变，进而引发内部机械应力累积。过大的机械应力易造成电极颗粒开裂、固态电解质界面膜破损以及电极层间剥离等问题，直接缩短电池循环寿命，同时带来热失控等安全隐患。目前学界针对电池电化学循环过程中的应力演化已有较多研究，现有原位 XRD、数字图像相关法等监测手段，多聚焦于充放电动态过程的应力响应。但电池停止充放电后的静置阶段并非力学惰性状态，存储的机械应力会持续松弛，而这一松弛机制尚未被充分阐释。现有研究多局限于扣式电池或小容量软包电池，针对商用大容量动力电池的尺寸效应、静置阶段非平衡力学行为研究存在明显空白。同时，传统监测方式难以精准捕捉大容量电池内部隐藏的非平衡应力场，也无法厘清锂离子重新分布与粘结剂粘弹性蠕变对应力松弛的耦合作用，制约了快充策略与电池管理技术的优化升级。
在这项研究中，研究人员将光纤布拉格光栅传感器集成至磷酸铁锂 / 石墨软包电池中，选取 2Ah 与 10Ah 两种容量电池作为研究对象，模拟电池包刚性约束环境，结合高精度恒温舱实现温度与应变信号解耦，系统探究不同倍率、不同容量电池静置阶段的应力松弛规律。研究证实电池循环后的静置阶段具备显著力学活性，应力松弛由锂离子重新分布和聚合物粘结剂粘弹性耗散共同耦合驱动，推动电池从非平衡态向准平衡态转变。测试发现大容量 10Ah 电池快充过程中中心峰值应力更低，呈现出明显的应力缓冲特性，但 1.5C 倍率断电后会产生超 6MPa 的瞬态应力松弛，源于锂离子浓度梯度形成的隐蔽非平衡内应力场。不同容量电池的应力响应呈现明显尺寸依赖性，电池容量越大，应力弛豫幅度与恢复效率越高。此外，研究将间歇静置引入脉冲快充方案，试验验证该方式可将大容量电池累积机械应力降低约 10%，有效缓解电极机械疲劳，同时明确静置恢复效率与初始应力水平呈正相关，高倍率工况下静置优化效果更为突出。
该研究借助光纤布拉格光栅传感技术，厘清了电化学动力学与电池宏观形变的关联机制，揭示了大容量商用电池区别于小尺寸电池的非线性力学响应特征。大容量电池快充时表观峰值应力较低的缓冲效应具有迷惑性，更长的离子传输路径使其内部易形成隐蔽非平衡应力场，且该应力会在静置阶段快速释放，成为影响电池寿命的关键隐患。2 小时静置周期可有效实现电池内部应力耗散，通过锂离子浓度均化与粘结剂粘弹性形变释放储能，是电池热力学再平衡的重要窗口期。引入间歇静置的快充策略，能够显著降低电池长期循环中的累积机械负荷，对高容量大功率电池的力学稳定性提升效果远优于小容量电池。该研究填补了实验室小尺寸电池与商用大容量电池力学行为研究的鸿沟，为面向应力调控的电池管理策略设计提供了理论支撑与实践路径。研究现阶段确立了应力感知的快充设计原则，同时指出后续仍需针对不同电化学体系、封装形式及约束条件，建立可通用的应力阈值标准，进一步完善动力电池力学调控技术体系。
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