近日，上海交通大学密西根学院教师郭云龙课题组在国际能源顶级期刊《美国化学会能源快报》（ACS Energy Letters）上发表题为《合金负极与固态电解质基于力电耦合的配对准则》（Chemomechanical Pairing of Alloy Anodes and Solid-State Electrolytes）的最新研究成果。论文拓展了经典的锂金属-固态电解质力电耦合模型并应用于合金-固态电解质的界面行为研究，建立了软硬电解质合金配对准则，提出了面向各类固态电解质的合金力学性能调控策略，为设计长循环稳定高能量密度固态电池中的合金负极提供了理论基础。
郭云龙教授和上海交通大学溥渊未来技术学院薄首行教授为论文的通讯作者，密院博士生陈施威为论文第一作者。研究工作和论文合作者还包括郑州大学周震教授和唐宾博士，以及密院博士生曹庆博和于欣雨。
课题组研究示意图
随着社会对低碳交通的需求不断增加，公众对具备长续航和高安全性能的电动汽车的期待也不断提升。延长续航的关键在于开发高能量密度的电池，然而目前传统锂离子电池已接近其能量密度极限（360 Wh/kg）。由于采用可燃的液态电解液，能量密度的提升同时也增加了锂离子电池的安全风险。为应对这一问题，采用高容量合金负极和非可燃固态电解质的固态电池因其高能量密度（> 400 Wh/kg）和更好的安全特性，是一种颇有前景的解决方案。然而，合金负极仍然存在形貌不稳定的问题，可能导致合金枝晶的形成，进而造成电池失效。
为了解决这一挑战，研究团队建立了基于合金负极-固态电解质的化学-力学耦合模型，明确了合金负极与固态电解质界面的形态稳定性与其化学力学性能之间的关系，并提出了一个具有普适价值的电解质与合金配对原则：即“硬”（高剪切模量）的陶瓷电解质应与“更硬”的合金搭配，而“软”（低剪切模量）的聚合物电解质则适合与“更软”的合金匹配。通过X射线CT技术观察不同合金阳极在充放电循环后的形态变化，有力地验证了这一配对准则。此外，该模型经验证可扩展至钠电固态系统，以辅助钠合金负极设计，支持未来低成本储能电池等技术研究。
作者介绍
陈施威，上海交通大学密西根学院博士生，指导教师为郭云龙和薄首行，研究方向为高比能全固态锂电池，相关研究成果在ACS Energy Letters, Cell Reports Physical Science, eScience, SusMat等期刊发表。
通讯作者介绍
郭云龙，上海交通大学密西根学院长聘副教授，博士生导师，入选上海市和国家级(青年)高层次人才计划。从事高分子材料研究，涵盖纳米限域高分子非平衡态动力学与非线性黏弹性，聚合物固态能源材料与医用高分子材料等方向。工作发表在Nature Materials, ACS Energy Letters, ACS Nano, Advanced Functional Materials, eScience, Nanoscale, Macromolecules等知名期刊，担任Nature Springer期刊Mechanics of Time-Dependent Materials编委、普林斯顿大学出版社软材料领域专著评阅人等学术兼职。
薄首行，上海交通大学溥渊未来技术学院未来电池研究中心教授，固态电池研发过程与评价标准技术委员会委员，商飞时代技术委员会专家委员，国家优秀青年基金获得者。围绕全固态电池开展超快离子导体设计，表界面表征以及成像诊断等相关研究。工作发表在Nature Reviews Materials, Chemical Reviews, Joule, ACS Energy Letters, Energy & Environmental Science等知名期刊。
