随着全球对清洁能源及电动汽车需求的日益增长，锂电池产业正在快速地发展与扩张。石墨因其性能稳定、低电压平台和成本低廉而被广泛选择作为商业储能锂电池负极材料。然而，在电化学反应过程中，锂离子的嵌入和脱出会引起石墨层间距的变化，进而导致石墨颗粒的体积膨胀与收缩。这种体积变化不仅会影响电极的结构稳定性，还会在电极内部产生应力，导致电极弯曲变形，甚至引发裂纹、分层等损伤，从而影响锂电池的容量密度和循环寿命。
为了深入理解石墨复合电极在电化学反应过程中的力学响应特征及其力学性能的演变规律，上海理工大学的刘佳辉、卞伟翔、李大伟等研究人员开发了一种原位测量手段，对复合石墨电极在电化学循环过程中的力-电耦合性能进行了系统研究。该研究不仅提供了一种实时捕捉锂电池电极在电化学反应中的力学响应的原位观测手段，还帮助深入理解了影响其内部损伤和循环寿命的作用机制。
研究人员采用石墨复合电极进行原位测量实验设计与分析。石墨复合电极由质量分数为90%的石墨颗粒、2.5%的导电炭黑和7.5%的CMC混合而成。制备电极浆料时，首先将CMC溶解于去离子水中，然后依次加入石墨颗粒和导电炭黑。搅拌充分后，用刮刀将混合均匀的浆料均匀地涂在
铜箔上，并在室温下静置6小时，然后转移到真空干燥箱（温度设置为110℃）中进一步干燥。为排除活性物质载量不同对电极力-电耦合性能的干扰，在电极制备过程中严格控制涂敷厚度，使所有电极样品厚度一致。此外，在电极制备完成后，均进行了相同工艺参数的滚压处理，确保电极的孔隙率保持一致。
研究人员通过开发原位测量手段，对复合石墨电极在电化学循环过程中的力-电耦合性能进行了测试。实验结果表明，随着锂化过程的进行，石墨电极的弹性模量逐渐增大，表现出硬化趋势，且偏摩尔体积随锂浓度呈阶段性变化。具体来说，在锂化过程中，石墨复合电极的应力和模量呈现非线性增加，并且其偏摩尔体积会随着充电状态发生阶段性变化。这一现象表明，锂离子的嵌入和脱出不仅引起了石墨层间距的变化，还导致了石墨颗粒的体积膨胀与收缩，进而影响了电极的力学性能。
此外，研究人员还研究了不同集流体厚度对复合石墨电极力学性能的影响。实验结果表明，不同厚度的集流体对电极内部的应力、应变有显著影响，较厚的集流体在抑制活性层应变方面效果更显著。随着循环次数增加，电极活性层中的应力和应变峰值在第三次循环达到最大，且各循环演变趋势趋于相同。这一发现为优化电极设计提供了重要参考，特别是在选择集流体厚度时，需要综合考虑其对电极力学性能的影响。
本研究系统性地揭示了石墨负极在电化学反应过程中的力学响应特征及其力学性能的演变规律，为深入理解锂离子电池电极的力学行为提供了参考。通过原位测量手段，研究人员能够实时捕捉锂电池电极在电化学反应中的力学响应，从而为优化电极设计、提高电池性能提供了有力支持。
未来的研究将进一步探索石墨复合电极在高温和低温条件下的力-电耦合行为，以揭示温度变化对其性能的影响。此外，研究人员还将结合更多的实验手段和理论模型，深入研究石墨复合电极在不同工况下的力学性能变化规律，为开发高性能、长寿命的锂电池提供更全面的指导。
本文通过原位测量手段，对锂电池石墨复合电极在电化学循环过程中的力-电耦合性能进行了系统研究。研究结果表明，随着锂化过程的进行，石墨电极的弹性模量逐渐增大，表现出硬化趋势，偏摩尔体积随锂浓度呈阶段性变化。不同厚度的集流体对电极内部的应力、应变有显著影响，较厚的集流体在抑制活性层应变方面效果更显著。本研究为深入理解石墨负极在电化学反应过程中的力学响应特征及其力学性能的演变规律提供了重要参考，为优化电极设计、提高电池性能提供了有力支持。
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河南 - 洛阳
2025年10月15日 ~ 17日
