武汉理工大学王宁团队《Energy Storage Materials》:原位光纤监测揭示高截止电压下NCM811电池力-化学衰退机制与早期失效预警
研究背景
在双碳目标推动下，高能量密度锂离子电池成为新能源产业的核心研发方向。高镍三元正极材料LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2（NCM811）凭借其高可逆容量与成本优势，逐渐成为当前最具前景的正极体系。提高充电截止电压可显著提升其能量密度，但高电压工况下会加速材料晶间开裂、过渡金属溶出与表面重构，在力-电-化学耦合作用下引发电池容量快速衰减，同时带来严重安全隐患。
传统材料表征手段虽能提供精细结构信息，却难以实现电池内部全生命周期的实时原位监测。光纤传感器因体积小巧、抗电磁干扰、灵敏度高等特性，逐渐应用于电池监测，但现有研究多局限于外部监测或循环初期的观测，高电压下NCM811从可逆晶格呼吸到不可逆结构坍塌的全周期力化学演化规律与失效机制仍不明确，制约了高能量密度电池的性能优化与安全管理。
成果简介
近日，武汉理工大学光纤传感技术与网络国家工程研究中心王宁研究员团队在国际能源存储领域顶级期刊《Energy Storage Materials》发表了最新研究成果。论文于2026年4月26日正式上线，任芳、黄小雨为共同第一作者，王宁研究员为通讯作者。
研究团队将FBG传感器原位植入NCM811||Li扣式电池内部（如图1所示），实现了正极材料全生命周期应变变化的高灵敏度实时原位监测。通过结合电化学性能测试和多种表征方法，对比了3.0-4.3 V、3.0-4.6 V、3.0-4.9 V三种截止电压下材料的力-电-化学耦合行为，阐明了充电截止电压对材料降解过程的作用，监测到电池失效前的关键力学特征，并据此建立了基于应变演化的电池失效早期预警策略。
图1 基于光纤布拉格光栅传感器的NCM811正极原位监测。(a) 光纤传感监测平台示意图；(b) FBG传感器工作原理；(c) 正极结构演化与FBG波长偏移的关联示意图
研究亮点
1.光纤传感平台的搭建与电池全生命周期原位监测：实现NCM811正极全生命周期内部行为的原位实时监测。实验表明，植入传感器后电池充放电曲线、库仑效率与界面阻抗均与对照组一致，未对电池电化学性能产生明显干扰。
2.不同截止电压下电池失效核心机制的揭示：低截止电压下，NCM811晶格膨胀与收缩具有高度可逆性，电池循环稳定。高截止电压会加速H2-H3不可逆相变，破坏正极-电解质界面稳定性，引发严重晶格畸变，最终导致层状结构向岩盐相转变，造成材料结构坍塌。
3.电池失效力学预警信号的发现与预警方法的建立：发现电池容量显著衰减前，应变幅值会先达到峰值，随后骤降约76%，该特征可作为材料不可逆结构坍塌、电池即将失效的标志。同时，4.9 V高电压下的预警应变值是4.3 V低电压下的290%，为不同电压窗口的电池寿命评估提供了依据。
图文导读
图2在3.0-4.3 V电压下NCM811应变演化与电化学行为的耦合关系。(a) 首圈循环中应变随SOC的变化；(b) 首圈循环前后的电化学阻抗谱；(c) 连续三圈循环的应变演化曲线；(d) 应变速率随SOC的变化；(e) 第1圈与第5圈的dQ/dV曲线；(f) 不同循环阶段的应变幅值。
如图2所示，在3.0-4.3 V的低截止电压下，应变曲线呈现出高度的周期性和对称性。随着循环进行，应变率的波动逐渐减小，电池进入稳定循环阶段。当应变幅值出现异常升高时，预示着电池内部开始发生不可逆损伤，可作为早期失效的预警信号。
图3 NCM811正极失效机制与电池失效早期预警
如图3所示，结合本研究实验结果，可将该电池全生命周期划分为应变波动、稳定循环、加速恶化和结构失效四个阶段。在电池容量发生显著衰减前，应变会急剧上升至峰值，随后因结构坍塌骤降76%。且4.9 V高电压下的预警应变是4.3 V下的290%，这一力学特征可作为不同电压体系电池失效的早期预警指标。
总结与展望
本工作建立了植入式光纤原位传感平台，突破了传统表征技术难以连续监测电池内部行为的局限，揭示了充电截止电压对NCM811降解的关键调控作用，建立了基于应变演化的电池失效早期预警方法，为高镍三元正极材料的结构设计、电压窗口优化及动力电池安全管理提供了重要理论与技术支撑。
未来，可将该技术拓展至多尺度、多物理场的电池内部原位监测，构建更精准的寿命预测与智能预警模型。进而，推动高能量密度锂电池在电动汽车、大规模储能电站等领域的安全可靠应用。
文献链接
Fang Ren, Xiaoyu Huang, Yanbo Nie, Xinhao Xiao, Weijin Chen, Xiaohan Chen, Qidong Tai, Zhi Zhang, Ning Wang*. Operando monitoring reveals the critical role of cut-off voltage in the mechanochemical degradation of NCM811.
DOI: 10.1016/j.ensm.2026.105165
