陈莹, 栾伟玲, 陈浩峰,, 朱轩辰

基于应力场的锂离子电池正极多尺度失效研究

陈莹1, 栾伟玲1, 陈浩峰1,2, 朱轩辰2

(1. 华东理工大学 机械与动力工程学院, 石化行业动力电池系统与安全重点实验室, 教育部承压系统与安全重点实验室,上海 200237; 2. 思克莱德大学 机械与航空工程系, 格拉斯哥 G11XJ英国)

锂离子电池已广泛应用于动力和储能领域, 电池寿命是影响其进一步发展的关键因素。循环充放电过程中的电化学-力学多场耦合作用会导致正极材料发生机械损伤累积, 降低电极材料的结构稳定性并形成多尺度损伤, 从而缩短电池循环充放电寿命。本文通过总结团队在三元正极材料多尺度失效行为方面的研究成果, 系统介绍了不同尺度下实验与模拟相结合的电极材料损伤分析方法, 旨在为不同尺度下选取损伤分析方法提供参考。基于电化学循环实验表征、扩展有限元分析法(XFEM)、线性匹配法(LMM)等研究手段, 深入分析了电极材料在多尺度下的力学损伤机理。研究工作为电极材料的多尺度失效行为分析及结构改性提供了重要指导。

锂离子电池; 正极; 应力场; 多尺度失效; 寿命衰减

随着应用领域日益广泛, 锂离子电池的循环寿命引起越来越多研究者的关注。电池寿命衰退既是电化学过程, 也涉及到力学关键问题[1-2]。充放电过程是Li+在正负极之间不断循环嵌入–脱出的过程, 在锂化-脱锂过程中伴随着摩尔体积的变化, 使得极片中的Li+浓度分布不均匀, 导致材料发生往复收缩与膨胀, 这种电化学–力学的耦合作用会形成扩散诱导应力场, 而这种应力是导致电极材料机械失效的直接原因[3-4]。……