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。

对不同尺寸的NCM颗粒的裂纹萌生规律进一步分析, 可以绘制出完整的裂纹萌生边界(黑色实线)和颗粒断裂边界(黑色虚线),如图4所示。整个裂纹准则图分为三个区域: 断裂区域、裂纹扩展区域和稳定区域。其中黑色实线为不同尺寸颗粒裂纹萌生的临界电流密度, 可以发现活性颗粒的临界电流密度随着颗粒尺寸的增加而减小。通过电化学循环后离位SEM表征结果(图5), 可以发现大颗粒上有多条明显裂纹, 而小颗粒上未发现明显裂纹, 这一结论与上述模拟结果一致。这也说明减小颗粒的平均尺寸有利于提高NCM颗粒的力学稳定性。