陈莹, 栾伟玲, 陈浩峰, 朱轩辰

无机材料学报 2022, 37 (8): 918-924. DOI:10.15541/jim20210777

摘要（601）

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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。

采用ABAQUS XFEM对NCM活性颗粒进行裂纹萌生及扩展分析, 并假设其为球形(图2)。在进行颗粒的损伤断裂分析时, 考虑到电极颗粒被粘结材料包围且粘结材料的刚度远小于电极颗粒, 力学边界条件设置为颗粒的无牵引表面。采用双线性牵引-分离损伤模型和最大主应力作为损伤判据, 计算过程中裂纹会根据应力场的演变进行扩展, 其力学断裂机理为: 将最大主应力作为裂纹萌生的阈值, 当最大主应力超过材料抗拉强度时会发生损伤。