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。

在理想状态下, 对球对称的几何模型施加各向同性的材料应力, 会产生球对称的应力场, 将最大主应力破坏准则与最大主应力分布相关联, 裂纹损伤将从颗粒中心开始(图3)。当分析颗粒裂纹萌生时, 可采用在颗粒表面任意点施加远小于扩散诱导应力的集中力, 作为微小应力扰动来实现非均匀应力场, 本团队施加的微小应力扰动大小为扩散诱导应力的1/100[17]。

在计算应力扰动的扩散诱导应力场后, 可进一步分析活性颗粒裂纹的萌生扩展过程。图3展示了直径3 μm颗粒在0.37 A/m2的电流密度下嵌锂和脱锂阶段损伤情况。在嵌锂阶段(图3(a)), 裂纹在颗粒中心处萌生并逐渐发展, 370 s时迅速向外对称扩展。之后, 裂纹缓慢发展,直至嵌锂阶段结束, 且未穿透颗粒。在脱锂阶段(图3(b)), 204 s时颗粒表面出现了新裂纹, 同时内部裂纹保持稳定。随着内部裂纹扩展, 新形成的裂纹在颗粒表面迅速扩展, 最终裂纹交汇导致颗粒的贯穿性断裂。