专门的保压测试模具是准确评估全固态电池（ASSB）的结构基础。由于固态电池缺乏液体电解质来填充空隙，它们完全依赖机械接触进行离子传输。这些专门的模具施加恒定的外部压力——在循环过程中通常约为 8 MPa——以抵消电极材料在充电和放电循环期间经历的显著体积膨胀和收缩。
通过保持连续的堆叠压力，这些模具可以防止电极颗粒与电解质发生物理分离。这确保了固-固界面即使在活性材料不可避免地膨胀和收缩的情况下也能保持完整，从而防止裂纹扩展并保持电池的长期循环寿命。
固态电池失效的力学原理
抵消各向异性体积变化
与传统电池不同，固态电池面临严峻的机械挑战：活性材料在运行过程中会发生物理尺寸变化。高镍正极材料（如 NCM-811）和硫正极会发生各向异性体积膨胀和收缩。
如果没有模具来约束这种运动，充电（脱锂）过程中的晶格收缩会产生空隙。这些空隙会导致颗粒隔离，意味着离子无法再在电极和电解质之间移动。
管理锂金属动力学
在负极端，挑战同样关键。在沉积和剥离过程中，锂金属的沉积会导致显著的体积波动。
专门的模具通过对堆叠施加恒定的力（通常为 1.5 至 17 MPa）来补偿这一点。这种压力确保在锂被剥离时，界面不会分层，从而保持低且稳定的阻抗。
防止裂纹扩展
在没有约束的情况下反复膨胀和收缩会产生应力，导致裂纹。这些裂纹会切断固体电解质和电极复合材料中的离子通路。
通过施加恒定的“夹紧”力，测试模具在机械上抑制了这些裂纹的形成和扩展。这种抑制是延长测试电池循环寿命的主要因素。
确保数据准确性
消除接触电阻
电化学测试的主要目标是测量材料的性能，而不是组装质量差。如果电极和电解质之间的接触松动，界面电阻就会急剧上升。
保压模具通过强制材料紧密接触来最小化这种界面阻抗。这使得研究人员能够区分化学本身的固有局限性和简单的机械故障。
隔离电流路径
先进的模具通常使用绝缘内壁，由 PEEK（聚醚醚酮）等材料制成。这种设计特性对于测量直流（DC）电阻和体积电阻率至关重要。
非导电衬里可确保电流严格地垂直通过压缩的粉末柱。这可以防止电流通过模具侧壁短路，否则会扭曲电阻率数据并掩盖电极材料的真实性能。
理解权衡
尽管有必要，但使用加压模具会引入特定的变量，必须加以管理以确保数据的有效性。
“过压”伪影
存在施加超出实际商业能力压力的风险。虽然特定的成型步骤可能需要 200–450 MPa 来形成颗粒，但循环压力要低得多。
在过高的压力下（远高于 10-20 MPa）进行测试可能会产生优秀的实验室结果，但这些结果无法在实际电池组中复制。您必须区分形成电池所需的压力和循环电池所需的压力。
材料兼容性
模具材料本身必须化学惰性。虽然 PEEK 在绝缘方面表现出色，但柱塞材料（通常是金属）不得与活性成分发生反应。
不兼容可能导致在电化学阻抗谱（EIS）或长期循环过程中发生副反应。这些反应会产生错误的信号，可能被误认为是电池退化。
为您的目标做出正确选择
要选择正确的测试模具配置，请根据您的具体研究目标来匹配设备能力。
- 如果您的主要关注点是长期循环寿命：优先选择带有校准弹簧或气动控制的模具，以保持恒定的堆叠压力（约 8–17 MPa），以适应体积的呼吸。
- 如果您的主要关注点是材料电阻率：确保模具具有高质量的绝缘衬里（如 PEEK），以迫使电流垂直通过并防止侧壁短路。
- 如果您的主要关注点是高镍或硫正极：选择一个专门额定能够抵消显著晶格收缩的模具，以防止因颗粒脱离而导致的即时容量衰减。
固态电池测试的成功不仅在于化学本身；还在于在化学能够生存的环境中进行机械工程。
总结表：
| 特征 | 在 ASSB 测试中的功能 | 对数据准确性的影响 |
|---|---|---|
| 恒定压力 | 抵消各向异性体积膨胀/收缩 | 防止颗粒隔离和裂纹扩展 |
| PEEK 绝缘 | 隔离电流通过材料的路径 | 防止侧壁短路；确保准确的电阻率 |
| 机械夹紧 | 最小化固-固界面电阻 | 降低阻抗以进行真正的电化学测量 |
| 校准弹簧 | 保持稳定的堆叠压力（8-17 MPa） | 确保长期循环寿命和可重复的结果 |
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