由于零過量鋰，無負極鋰金屬電池（AFLMB）可提供比傳統鋰金屬電池高得多的能量密度。然而，AFLMB易遭受容量快速損失和壽命短的問題。監測和分析 AFLMB的容量衰減對其未來的應用非常重要，而其中監測和區分不可逆/可逆體積膨脹是關鍵。

在此，華中科技大學黃云輝教授、孫琪真教授及李真教授等人開發了一種原位光纖傳感器衍生監測技術，以實現基于LiNi_0.5Mn_0.3Co_0.2O₂（NMC532）的AFLMB 在全生命周期內的應變演化及其operando解碼。通過將光纖布拉格光柵（FBG）傳感器連接到多層無負極軟包電池的表面，成功地監測了電池的應變演變并與其電化學特性相關聯。

此外，應變演化的operando解碼是在多種表征方法的幫助下實現的，包括SEM和超聲成像。結果顯示，應變信號隨電壓擺動。這意味著表面應變與荷電狀態（SOC）密切相關，為監測電池的SOC提供了新的策略。值得注意的是，應變在放電結束前達到最低值并隨后增加。這歸因于無負極電池的特性：厚SEI呈現出多孔和剛性結構，不會隨著鋰剝離而收縮。相反，NMC532材料隨著鋰的嵌入而膨脹，引起應變信號的增加。

圖1. FBG傳感器監測電池電化學循環和應變信號

電池的可逆性和不可逆性體積膨脹與容量衰減密切相關，表面應變可有效表征體積膨脹的影響。應變演化最小值代表SEI和死鋰引起的累積體積，在每次循環后都有增加的趨勢。這說明鋰與電解液的無休止反應不僅產生死鋰，而且使SEI變厚，導致活性鋰的損失和軟包電池不可逆的體積膨脹。作者基于SEM表征分析了電極的形態變化表明，隨著SEI和死鋰的積累，整個軟包電池變得更厚，這種現象與每個循環中最小應變的增加是一致的。

最后，作者揭示了表面應變變化與容量衰減之間的關系，即活性鋰損失引起的表面應變波動幅度下降是完全失效的先行指標。因此，這項研究所提出的傳感技術具有出色的多路復用能力，可被視為下一代電池管理系統中容量衰減分析的基本單元。

圖2. 電極的形態變化及與容量衰減的聯系

Operando Decoding of Surface Strain in Anode-Free Lithium Metal Batteries via Optical Fiber Sensor, Advanced Science 2022. DOI: 10.1002/advs.202203247