近日，廣東工業(yè)大學(xué)輕工化工學(xué)院劉全兵教授課題組與挪威科技大學(xué)Steven Boles教授團隊合作，利用光纖布拉格光柵（FBG）傳感器，實現(xiàn)了對鎳鋅電池在寬電壓窗口循環(huán)過程中應(yīng)變與溫度的原位、高同步監(jiān)測，揭示了從雙電層行為到不可逆副反應(yīng)的多尺度演化規(guī)律。相關(guān)成果發(fā)表于《德國應(yīng)用化學(xué)》（Angewandte Chemie International Edition）。
在可充電鎳鋅電池中，電極相變、離子遷移及析氫、鋅枝晶生長等副反應(yīng)直接影響電池的循環(huán)壽命與安全性。傳統(tǒng)電化學(xué)表征手段難以同步獲取電池內(nèi)部的力學(xué)與熱響應(yīng)信號，限制了對失效機制的理解。FBG傳感技術(shù)憑借高靈敏度、抗電磁干擾及可原位集成等優(yōu)勢，為電池內(nèi)部多物理場監(jiān)測提供了理想方案。
研究團隊構(gòu)建了FBG原位監(jiān)測系統(tǒng)，系統(tǒng)分析了不同充電截止電壓下鎳鋅電池的應(yīng)變與溫度演化。結(jié)果表明：在低電壓區(qū)間（<1.86 V），電池表現(xiàn)出與雙電層行為高度相關(guān)的可逆微小應(yīng)變與溫度變化，揭示了界面離子吸附與溶劑重排過程；在正常工作區(qū)間（1.86-1.875 V），應(yīng)變與溫度信號與鋅的可逆沉積/溶出及正極相變過程高度同步，實現(xiàn)了對法拉第反應(yīng)的精準(zhǔn)追蹤；在高電壓過充區(qū)間（≥1.88 V），充電階段應(yīng)變與溫度出現(xiàn)急劇、不可逆的上升，清晰反映了異常相變、析氫及鋅枝晶生長等不可逆副反應(yīng)的發(fā)生，為電池過充失效提供了早期預(yù)警信號。
該研究首次在鎳鋅電池中實現(xiàn)了從界面雙電層行為到整體失效過程的多尺度原位監(jiān)測，為高安全、長壽命鋅基電池的機理研究與性能優(yōu)化提供了新的表征手段與設(shè)計思路。
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