磷酸鐵鋰憑借其本征安全、長(zhǎng)循環(huán)壽命和低成本優(yōu)勢(shì)，已成為電動(dòng)汽車和規(guī)模儲(chǔ)能領(lǐng)域的核心正極材料。然而，其較低的電子電導(dǎo)率和鋰離子擴(kuò)散動(dòng)力學(xué)限制了倍率性能。更為關(guān)鍵的是，磷酸鐵鋰在脫嵌鋰過(guò)程中涉及復(fù)雜的相變行為，其跨尺度的反應(yīng)異質(zhì)性難以通過(guò)常規(guī)表征手段在電極尺度上實(shí)時(shí)解析。傳統(tǒng)X射線衍射(XRD)技術(shù)提供的信號(hào)為深度平均響應(yīng)，無(wú)法區(qū)分沿電極厚度方向的局域梯度；高分辨顯微技術(shù)(如TEM、STEM)雖可揭示單顆粒尺度的相演化，但難以反映整體電極行為。因此，如何在宏觀尺度上無(wú)損、實(shí)時(shí)地捕獲電極內(nèi)部反應(yīng)前沿的時(shí)空演化，一直是未解難題。
 

　　針對(duì)上述挑戰(zhàn)，研究團(tuán)隊(duì)提出了一種無(wú)需空間掃描的信號(hào)解碼新思路。該方法的物理基礎(chǔ)在于：磷酸鐵鋰在脫嵌鋰過(guò)程中晶格體積變化約為6.5%–7%，這些體積變化通過(guò)電極內(nèi)部顆粒間的力鏈網(wǎng)絡(luò)傳遞，最終轉(zhuǎn)化為宏觀應(yīng)力信號(hào)。由于電極中不同空間位置的顆粒對(duì)應(yīng)力信號(hào)的傳遞效率存在差異，團(tuán)隊(duì)利用這一內(nèi)在的空間敏感性，通過(guò)逆向分析非均勻應(yīng)力信號(hào)，反演了活性反應(yīng)位點(diǎn)的時(shí)空分布。實(shí)驗(yàn)中，采用零應(yīng)變的鈦酸鋰(LTO)作為對(duì)電極，構(gòu)建單層軟包電池，并結(jié)合高精度力傳感器實(shí)現(xiàn)了原位法向應(yīng)力信號(hào)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與反演解析。
 

　　借助這一工具，研究團(tuán)隊(duì)對(duì)磷酸鐵鋰電極的反應(yīng)異質(zhì)性進(jìn)行了系統(tǒng)研究。在37.55 μm厚的薄電極、0.1C恒流條件下，原位應(yīng)力信號(hào)整體線性度良好(R?=0.9951)，但微分分析顯示系統(tǒng)性非線性波動(dòng)(變異系數(shù)0.03459)，與均勻嵌鋰模型的預(yù)測(cè)不符。為進(jìn)一步驗(yàn)證，團(tuán)隊(duì)將電池充電至50%荷電狀態(tài)后拆解，對(duì)電極表層和底部區(qū)域進(jìn)行熱重分析，結(jié)果顯示表層為脫鋰相(FePO4)，底部為鋰化相(LiFePO4)，證實(shí)反應(yīng)位點(diǎn)在厚度方向上呈非均勻分布。結(jié)合蒙特卡洛模擬和力鏈網(wǎng)絡(luò)模型，研究闡明非線性應(yīng)力信號(hào)源于應(yīng)力在顆粒間傳遞的衰減效應(yīng)：應(yīng)變信號(hào)每經(jīng)過(guò)一個(gè)顆粒層便產(chǎn)生損耗，距界面越遠(yuǎn)貢獻(xiàn)越小。薄電極中心區(qū)域的應(yīng)變傳遞效率僅為邊緣的61.2%?；诖?，重建的脫鋰過(guò)程顯示反應(yīng)前沿從電極表面向集流體方向推進(jìn)。
 

　　對(duì)于厚度為66.45 μm的厚電極，中心傳遞效率進(jìn)一步降至55.6%，非線性增強(qiáng)(R?=0.9912)，且反應(yīng)前沿在過(guò)程中發(fā)生兩次反向遷移，表明反應(yīng)動(dòng)力學(xué)受離子傳輸、電子導(dǎo)電及顆粒網(wǎng)絡(luò)連通性等多因素耦合影響。該工作表明，微分應(yīng)力信號(hào)可作為高靈敏探針解析電極尺度的時(shí)空反應(yīng)動(dòng)力學(xué)，為理解相分離型電極的異質(zhì)性行為提供了新的力學(xué)視角。該策略還可與導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)、梯度孔隙率電極等優(yōu)化策略相結(jié)合，為厚電極結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供實(shí)驗(yàn)依據(jù)。
 

　　工程科學(xué)學(xué)院熱科學(xué)和能源工程系賀興民博士為該論文的第一作者，談鵬教授為通訊作者。本工作得到何享健青年科學(xué)家項(xiàng)目(HERF2025018)和中國(guó)科學(xué)院穩(wěn)定支持基礎(chǔ)研究領(lǐng)域青年團(tuán)隊(duì)計(jì)劃(YSBR-098)的資助。
 

　　引用：中國(guó)科大團(tuán)隊(duì)利用原位應(yīng)力信號(hào)揭示磷酸鐵鋰電極空間異質(zhì)性-中國(guó)科大【引用時(shí)間：2026年7月24日】