基于电化学-力学耦合模型解析全固态电池中局部阴极接触诱发的动力学分层机制及优化策略

针对全固态电池(ASSBs)高镍层状氧化物阴极因接触覆盖率不足导致的机械分层问题，韩国高丽大学团队通过调控固体电解质(SE)粒径构建不同接触覆盖率的电极体系，结合电化学-力学耦合模型揭示了动力学驱动的锂浓度梯度加速分层机制。研究发现采用小尺寸SE(1.4μm)实现94.8%高覆盖率可显著提升循环稳定性，在5C倍率下1000次循环后仍保持79.1%容量，为高能量密度ASSBs的界面设计提供新思路。

　　

随着全球对高安全性、高能量密度储能系统的需求激增，全固态电池(All-Solid-State Batteries, ASSBs)因其不可燃的固体电解质(Solid Electrolytes, SEs)特性成为研究热点。特别是硫化物基Li₆PS₅Cl电解质凭借优异的锂离子电导率(1-25 mS cm^-1)和良好的延展性已进入商业化阶段。然而在追求更高能量密度的过程中，高镍层状氧化物阴极(如LiNi_0.9Mn_0.05Co_0.05O₂)与SE界面存在的机械分层问题成为制约电池循环寿命的关键瓶颈。不同于传统液态电池，ASSBs在充放电过程中活性材料颗粒的体积变化会直接导致界面接触失效，这种"动力学分层"现象在学术界尚未得到系统阐释。

为攻克这一难题，韩国高丽大学Dong-Joo Yoo团队在《Joule》发表了创新性研究成果。研究人员通过精确调控阴极活性材料(Cathode Active Materials, CAMs)与SE的粒径比例，构建了具有不同接触覆盖率(94.8% vs 83.1%)的电极体系，结合先进的电化学-力学耦合模型，首次揭示了局部接触诱发的动力学分层机制。研究采用多尺度表征技术与数值模拟相结合的方法，包括电极形貌的SEM图像定量分析、电化学性能测试(0.5C-5C倍率范围)、以及自主研发的单粒子模型(Single-Particle Model, SPM)模拟等。

【Results】章节显示：

1. 接触覆盖率调控：通过使用1.4μm和4.9μm两种SE粒径，分别实现了均匀高覆盖(94.8%)和局部低覆盖(83.1%)的电极结构。循环后电极的覆盖度分析证实，低覆盖电极接触面积下降更显著。

2. 电化学-力学耦合机制：模型模拟表明低覆盖率电极在窄接触区域会产生陡峭的Li⁺浓度梯度，导致局部快速收缩，这种非均匀应变加速了界面分层。

3. 循环性能验证：高覆盖电极在60°C高温下展现卓越稳定性，100次循环后容量保持率比低覆盖电极提高14.2%，在5C快充条件下1000次循环后仍保持79.1%容量。

【Discussion】部分深入阐释了科学价值：

1. 首次建立了覆盖率-动力学分层-循环稳定性的定量关系，证明覆盖率>90%可有效抑制分层；

2. 提出"尺寸效应"设计原则：通过增大CAM/SE粒径比(本研究中5μm/1.4μm)可提升接触均匀性；

3. 为高镍ASSBs提供了普适性解决方案，相比传统LiCoO₂阴极，在保持高能量密度同时显著提升循环寿命。

该研究通过创新的实验设计与理论模拟，为破解全固态电池界面失效难题提供了全新视角。特别是提出的"电化学-力学协同调控"策略，不仅适用于硫化物电解质体系，对氧化物、卤化物等各类ASSBs的界面优化都具有重要指导意义。研究成果将加速高能量密度ASSBs的商业化进程，为下一代储能技术的发展奠定科学基础。