矽基, 錫基等電極材料由於其高的電容量密度成為鋰離子電池的理想電極材料. 但力學上這一類材料在充放電過程中往往伴隨著大的體積變形, 導致高的應力狀態, 並引發電極結構的斷裂破壞等問題, 嚴重影響到鋰離子電池的使用壽命.
為了合理地設計電極結構, 規避結構可能產生的力學破壞問題, 需要建立電極材料在充放電過程中的力-電-化學耦合本構關係. 通常的做法是通過原位的測量實驗及Stoney公式獲得的電極材料充放電過程中的應力演化. 然而該方法必須依賴於薄膜的厚度遠小於基底的厚度, 薄膜的厚度變化在變形過程可以忽略不計, 薄膜與基底之間粘接良好等三個假設, 時間高性能電池通常難以滿足這些條件.
為了解決這個問題, 中國科學院力學研究所非線性力學國家重點實驗室的科研團隊基於力-電-化學耦合理論, 發展了一套有限元計算方法, 可準確刻畫電極材料在充放電過程中的彈塑性大變形及內在的應力演化. 並採用該方法進行有限元類比, 闡述了由電極薄膜的彈塑性大變形引起的Stoney公式的誤差分析, 電極薄膜的大變形, 彈塑性本構關係和界面材料性質對應力-充放電狀態曲線的影響, 以及電極材料參數與應力-充放電狀態曲線特徵之間的對應關係. 該工作為研究電極材料在充放電過程中的力-電-化學耦合本構關係提供了幫助.
相關的研究成果已發表於國際期刊Journal of power sources (Wen,J.,Wei,Y.,Cheng,Y.T.,2018.Examining the validity of Stoney-equation for in-situ stress measurements in thin film electrodes using a large-deformation finite-element procedure. J.Power Sources,387,126-134.) 和Journal of the Mechanics and Physics of Solids(Wen,J.,Wei,Y.,Cheng,Y.T.,2018.Stress evolution in elastic-plastic electrodes during electrochemical processes: A numerical method and its applications.J.Mech.Phys.Solids,116,403-415.). 該研究獲得了國家自然科學基金委, 中科院B類先導項目以及美國國家科學基金的支援.
圖: 典型層狀電池結構及其變形. (a)電極薄膜-粘接劑-基底結構; (b)數值模型與實驗結果的對照, 展示充放電過程時電極膜中的應力變化; (c)電極材料的彈塑性與界面破壞情況下的薄膜內部剪切應力分布圖.
