Mechanistic insights into the dynamic evolution processes of LiFePO4/C batteries

磷酸铁锂/石墨（LFP/C）锂离子电池因其优异性能被广泛应用于储能系统，但其充放电过程中因机械-电化学耦合效应产生的非单调鞍形应力曲线形成机制尚不明确。该应力曲线通过传感器可间接反映电极动态演化规律，并被用于电池荷电状态（SOC）估计与健康状态（SOH）监测。然而，LFP/C电池的应力行为与其他类型锂电（如NCM、LMO电池）显著不同，其非单调特征（如SOC在23.9%-51.8%区间的曲线反转）难以用单一电极解释。通过引入零应变特性的钛酸锂（LTO）作为应力参考电极（SRE），首次独立测定了LFP与石墨电极的应力信号，结合X射线衍射（XRD）与锂化行为构建机械-电化学耦合模型。结果表明，石墨电极的非对称反应路径（如LiC₃₀→LiC₁₂相变）及多步低应变率相变掩盖了LFP电极的单相体积变化，导致整体应力曲线呈现非单调性。在非单调区间，石墨相变主导的应变迟滞效应是主因，而非此前推测的LFP两相共存。通过建立应力信号与电极反应的映射关系，研究提出应力曲线的解析表达式，可仅凭应力信号解析电池动态演化过程，为基于应力的状态监测与故障诊断技术奠定理论基石。

2025年5月