锂离子电池化学反应-相变-变形耦合、开裂和分层的研究

Among the available battery technologies to date, lithium ion battery is one of the most promising technologies that meet the both requirements of energy density and power of electric vehicles. Damage in electrodes, such as cracking and delamination, is one of main causes which lead to fade in capacity and deterioration in cycle performance. This proposal aims to investigate the damage and failure caused by the diffusion induced stress in lithium ion batteries, to understand the mechanisms of deformation, cracking and delamination and to predict the spatial-temporal evolution of deformation, cracking and delamination. The phase-field model and simulation method will be developed to solve the coupling problems of stress, phase transformation and electrochemical reaction. The methodology, which takes into account phase transformation and electrochemical reaction, will be proposed to predict evolution of deformation, cracking and delamination. Based on the developed methods the performance of real lithium ion batteries will be simulated and the design insights into material selection, structural configuration of electrodes and charging procedures will be provided. The experiments will be conducted to verify the theoretical analysis and numerical simulation. This study would not only improve our understanding of the mechanisms of damage process, but also provide tools for design of structural configuration and charging operations to avoid the damage.

锂离子电池是当前最受关注、最有前景的动力电池技术。电极开裂和分层等损伤是导致锂电池储能能力降低与寿命缩短的主要原因之一。本项目以锂离子电池的电极材料/结构为对象，针对高储能密度锂离子电池中扩散应力诱导的损伤和破坏问题，以理解变形、开裂和分层机理，以及揭示它们的时间-空间演化规律为重点，发展“电化学反应－锂化相变－应力”耦合问题的相场模型及模拟方法，研究电极结构变形、裂纹及分层的时间-空间演化的分析方法，进而，根据实际材料寻找优化的电极结构设计方案和优化的充放电规程，并进行实验验证。通过本项目的研究，不仅可以从理论上掌握锂离子电池电极由充放电产生损伤的过程，而且可以从实际结构设计和日常充放电操作规程上避免损伤的产生。因此，不但是一个非常重要的科学问题，而且对于实际工程应用也具有较大的价值

本项目以锂离子电池的材料/结构为对象，针对锂离子电池中扩散应力诱导的力学损伤与性能退化等方面开展了系统研究，发展了“电化学反应-锂化相变-应力”耦合问题的多物理场模型及模拟方法，揭示了电极裂纹、分层等力学损伤的时间-空间演化规律，提出了优化的电极结构设计方案和充放电规程，并开发了复杂环境下电极力学行为的测试手段，对锂离子电池的机制理解和性能优化做出了创新性贡献。重要成果体现在如下四个方面：.成果1：推广了著名的电化学动力学Butler-Volmer方程，建立了包括应力耦合的电化学反应动力学方程，实验证明了应力对电化学反应的耦合作用；发展了弹塑性变形-离子扩散双向耦合理论模型，阐明了应力-扩散双向耦合机制。.成果2：对锂离子电池的多种力学损伤形式和性能退化机理进行了系统研究，提出了电极脱层时空演化的分析方法，给出了脱层起始SOC公式和脱层临界尺寸公式；发现和揭示了粘结剂影响电池电化学循环性能的力学机理。.成果3：利用塑性变形、调控应力、抑制裂纹等力学方法，为锂离子电池的设计和优化提供了新思路和新视角；提出了基于力学分析发展锂离子电池的新途径，并研发了高能量锂离子电池。.成果4：电极力学行为的原位测试存在较大挑战，项目开发了两套电极原位变形测试系统，实现了对复合电极材料参数和应力演化规律的原位实时测量。