近日，來自華東理工大學機械與動力工程學院欒偉玲教授課題組與該校講座教授、英國思克萊德大學陳浩峰教授合作，在機械工程領域頂級期刊Journal of Mechanics and Physics of Solids (JMPS)發(fā)表了題為“Shakedown, ratcheting and fatigue analysis of cathode coating inlithium-ion battery under steady charging-discharging process”的研究論文，首次報道了鋰離子電池電極材料在穩(wěn)態(tài)循環(huán)充放電過程中的塑性行為及失效機理研究成果。

鋰離子電池因其高能量密度、長壽命等優(yōu)點成為汽車運輸和電子產(chǎn)品能源的優(yōu)先選擇。在鋰離子電池循環(huán)充放電過程中，隨著鋰離子的嵌入脫出，電極材料活性物質體積發(fā)生膨脹和收縮，從而產(chǎn)生循環(huán)擴散誘導應力。鋰離子電池中電極材料在循環(huán)擴散誘導應力以及機械載荷聯(lián)合作用下，會發(fā)生循環(huán)塑性行為導致的電極材料損傷，如棘輪和疲勞，從而影響電極材料的完整性，這是電池壽命衰減的一個重要原因。

研究團隊就目前最為關注的LiNixMnyCozO2(NMC)三元正極材料為研究對象，基于電池充放電實驗和有限元分析模型（圖1），應用自主研發(fā)的新一代先進數(shù)值方法計算了NMC活性層在循環(huán)擴散誘導應力和恒定機械載荷下的安定棘輪邊界（圖2），為理解不同充放電工況下電極材料的不同損傷機理鋪平了道路。

圖1 (a)正極材料鋰離子嵌入/脫出過程示意圖 (b)鋰化階段模型施加載荷和邊界條件

另外數(shù)值結果也表明，正極中心存在低周疲勞現(xiàn)象，正極邊緣存在棘輪現(xiàn)象，與實驗結果吻合（圖2）。論文進一步考慮了NMC活性層厚度對電池性能的影響，結果表明反向塑性極限和棘輪極限隨厚度的增加而增大，而隨著活性層的變薄正極在受到循環(huán)擴散誘導應力時變得更加危險，必須綜合考慮厚度對NMC活性層力學破壞和電化學性能的影響。此外，結合電化學實驗數(shù)據(jù)，研究團隊進一步得到了NMC活性層的疲勞損傷壽命曲線，可以有效地預測鋰離子電池電極材料活性涂層在不同充放電工況下的使用壽命。

圖2 (a) NMC正極材料涂層安定和棘輪極限邊界 (b) 詳細有限元分析驗證安定和棘輪邊界的準確性(c) NMC活性層塑性應變范圍和棘輪應變云圖(d)循環(huán)充放電試驗前（左）和循環(huán)充放電試驗后（右）的NMC正極

該論文第一作者是我校欒偉玲教授和英國思克萊德大學陳浩峰教授聯(lián)合指導的博士研究生陳瑩，欒偉玲教授和陳浩峰教授為共同通訊作者。該研究工作得到了國家留學基金委、國家自然科學基金、“111”引智計劃、上海汽車工業(yè)科技發(fā)展基金會的資助。

值得指出的是，在過去一年里，該團隊在鋰離子電池電極活性顆粒以及極片損傷模型建立、循環(huán)塑性破壞及壽命預測方面的研究取得了一系列進展，已發(fā)表多篇高影響力學術論文（International Journal of Mechanical Sciences, 2020: 105608;International Journal of Fatigue, 2021, 142: 105915; European Journal ofMechanics, A/Solids, 2021, 86:104175）。該研究工作在基于應力場的鋰離子電池電極壽命預測領域的研究結果不僅系統(tǒng)解析了電極材料的力學損傷機理，也對優(yōu)化電極材料的設計與合成、獲得高性能高安全性的鋰離子電池具有重要的指導意義。（來源：華東理工大學)

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