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锂电池中的力学效应
发布日期 2025
锂离子电池在便携式电子设备领域占据主导地位，并显著推动了电动汽车的商业化进程。当前全球研发重点集中于开发具有高能量密度、快速充放电能力、高功率输出、低成本及高安全性的电池系统。在材料选择中，机械强度的耐久性与长周期循环的结构完整性成为关键评价指标。锂离子电池内部存在显著的电化学-力学耦合行为，表现为大变形、塑性流动、裂纹扩展与疲劳等现象，进而引起电极剥离、孔隙闭合以及副反应加速等多种失效模式。其中，正极颗粒的破裂等力学-电化学退化机制是限制锂离子电池性能的主要因素之一，因此深入研究正极材料在多场耦合条件下的响应机制，对实现下一代高能量密度电池至关重要。 钴酸锂（LiCoO₂）作为一种典型的高能量密度正极材料，其常见晶体结构为O3相。此外，该材料亦可结晶为以ABAC堆叠方式排列的O2相，然而目前对O2相钴酸锂在高压条件下的行为研究仍较为有限。本研究发现在高电压循环过程中，O2相钴酸锂因具有更优的力学特性，表现出更少的颗粒分层与裂纹扩展，从而展现出更稳定的电化学性能。通过COMSOL Multiphysics建立单颗粒模型，对O3相与O2相钴酸锂进行了电化学-力学耦合仿真模拟。结果表明，两者在力学-电化学过程中存在显著差异，O3相钴酸锂在循环中易发生更严重的应力积累，最终可能导致电池失效。
