锂离子电池电极颗粒力-热-电化学耦合模型与应力研究

【作者】 李嘉颖； 刘玉岚； 王彪；

【机构】 中山大学；

【摘要】 锂离子电池充放电过程中,锂离子在电极内的扩散会引起材料晶格尺寸变化。由于锂离子扩散时浓度分布不均匀,引起晶格失配,最终产生扩散诱导应力(DIS)。电极颗粒断裂的主要是由DIS造成,其在破坏材料的电子通道的同时,还加剧电极副反应(SEI膜重构,电极-电解质反应等),导致电池容量衰减。颗粒尺度的DIS研究主要考虑了力-电化学之间的耦合作用,而电池产热相关的研究一直停留在整电池以及电极尺度。我们基于整电池的产热模型,建立了颗粒尺度的产热理论以及力-热-电化学耦合模型。利用有限元法,对电极颗粒在力-热-电化学耦合作用下进行数值仿真。由于正常充放电过程中电池的升温有限,颗粒尺度的热效应对电极应力的影响不显著。随着电池充放电速率的提高,热效应的影响会随之增强。力-热-电化学耦合模型还进一步用于分析具备杨氏模量、偏摩尔体积以及热膨胀性梯度的组分梯度电极。对比发现,偏摩尔体积梯度和热膨胀性梯度是通过浓度变化以及温度变化,对颗粒应力施加一定数值上的影响。而杨氏模量梯度则是对应力施加一定比例上的影响,会随着应力消散而消失。此外,三者的耦合效应也较为明显,不能简单地进行线性叠加。最后,通过对电极颗粒尺度的力-热-电化学耦合研究,发现可以利用电极组分间的热膨胀性差异,为电池施加热预应力,减少电极颗粒的表面裂纹。更多还原