為了深入理解石墨復(fù)合電極在電化學(xué)反應(yīng)過程中的力學(xué)響應(yīng)特征及其力學(xué)性能的演變規(guī)律，上海理工大學(xué)的劉佳輝、卞偉翔、李大偉等研究人員開發(fā)了一種原位測量手段，對復(fù)合石墨電極在電化學(xué)循環(huán)過程中的力-電耦合性能進(jìn)行了系統(tǒng)研究。該研究不僅提供了一種實(shí)時(shí)捕捉鋰電池電極在電化學(xué)反應(yīng)中的力學(xué)響應(yīng)的原位觀測手段，還幫助深入理解了影響其內(nèi)部損傷和循環(huán)壽命的作用機(jī)制。

研究人員采用石墨復(fù)合電極進(jìn)行原位測量實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與分析。石墨復(fù)合電極由質(zhì)量分?jǐn)?shù)為90%的石墨顆粒、2.5%的導(dǎo)電炭黑和7.5%的CMC混合而成。制備電極漿料時(shí)，首先將CMC溶解于去離子水中，然后依次加入石墨顆粒和導(dǎo)電炭黑。攪拌充分后，用刮刀將混合均勻的漿料均勻地涂在銅箔上，并在室溫下靜置6小時(shí)，然后轉(zhuǎn)移到真空干燥箱（溫度設(shè)置為110℃）中進(jìn)一步干燥。為排除活性物質(zhì)載量不同對電極力-電耦合性能的干擾，在電極制備過程中嚴(yán)格控制涂敷厚度，使所有電極樣品厚度一致。此外，在電極制備完成后，均進(jìn)行了相同工藝參數(shù)的滾壓處理，確保電極的孔隙率保持一致。

研究人員通過開發(fā)原位測量手段，對復(fù)合石墨電極在電化學(xué)循環(huán)過程中的力-電耦合性能進(jìn)行了測試。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，隨著鋰化過程的進(jìn)行，石墨電極的彈性模量逐漸增大，表現(xiàn)出硬化趨勢，且偏摩爾體積隨鋰濃度呈階段性變化。具體來說，在鋰化過程中，石墨復(fù)合電極的應(yīng)力和模量呈現(xiàn)非線性增加，并且其偏摩爾體積會隨著充電狀態(tài)發(fā)生階段性變化。這一現(xiàn)象表明，鋰離子的嵌入和脫出不僅引起了石墨層間距的變化，還導(dǎo)致了石墨顆粒的體積膨脹與收縮，進(jìn)而影響了電極的力學(xué)性能。

此外，研究人員還研究了不同集流體厚度對復(fù)合石墨電極力學(xué)性能的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，不同厚度的集流體對電極內(nèi)部的應(yīng)力、應(yīng)變有顯著影響，較厚的集流體在抑制活性層應(yīng)變方面效果更顯著。隨著循環(huán)次數(shù)增加，電極活性層中的應(yīng)力和應(yīng)變峰值在第三次循環(huán)達(dá)到最大，且各循環(huán)演變趨勢趨于相同。這一發(fā)現(xiàn)為優(yōu)化電極設(shè)計(jì)提供了重要參考，特別是在選擇集流體厚度時(shí)，需要綜合考慮其對電極力學(xué)性能的影響。

本研究系統(tǒng)性地揭示了石墨負(fù)極在電化學(xué)反應(yīng)過程中的力學(xué)響應(yīng)特征及其力學(xué)性能的演變規(guī)律，為深入理解鋰離子電池電極的力學(xué)行為提供了參考。通過原位測量手段，研究人員能夠?qū)崟r(shí)捕捉鋰電池電極在電化學(xué)反應(yīng)中的力學(xué)響應(yīng)，從而為優(yōu)化電極設(shè)計(jì)、提高電池性能提供了有力支持。

未來的研究將進(jìn)一步探索石墨復(fù)合電極在高溫和低溫條件下的力-電耦合行為，以揭示溫度變化對其性能的影響。此外，研究人員還將結(jié)合更多的實(shí)驗(yàn)手段和理論模型，深入研究石墨復(fù)合電極在不同工況下的力學(xué)性能變化規(guī)律，為開發(fā)高性能、長壽命的鋰電池提供更全面的指導(dǎo)。

本文通過原位測量手段，對鋰電池石墨復(fù)合電極在電化學(xué)循環(huán)過程中的力-電耦合性能進(jìn)行了系統(tǒng)研究。研究結(jié)果表明，隨著鋰化過程的進(jìn)行，石墨電極的彈性模量逐漸增大，表現(xiàn)出硬化趨勢，偏摩爾體積隨鋰濃度呈階段性變化。不同厚度的集流體對電極內(nèi)部的應(yīng)力、應(yīng)變有顯著影響，較厚的集流體在抑制活性層應(yīng)變方面效果更顯著。本研究為深入理解石墨負(fù)極在電化學(xué)反應(yīng)過程中的力學(xué)響應(yīng)特征及其力學(xué)性能的演變規(guī)律提供了重要參考，為優(yōu)化電極設(shè)計(jì)、提高電池性能提供了有力支持。