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锂离子电池厚电极力-电化学耦合作用机理研究
发布日期 2025
为满足电动汽车对长续航和快充电的需求，提升锂离子电池的能量密度和快充性能至关重要。锂离子电池在快速充放电过程中的电极结构退化问题已成为制约其性能提升的关键瓶颈。尤其在高倍率循环条件下，电极活性颗粒内部会因锂离子浓度梯度和相变引发的非均匀体积膨胀而产生显著的机械应力，进而导致微裂纹的萌生与扩展。本研究建立了耦合锂离子扩散、相变、应力演化及断裂过程的COMSOL模型，系统研究了单晶电极颗粒、二级电极颗粒和厚电极的断裂行为。在单晶颗粒尺度，建立了耦合锂扩散、相变、应力与断裂的相场模型。研究发现脱锂路径具有取向依赖性，导致非均匀相变与晶格失配应力，诱发侧面裂纹形核及沿层状方向的扩展，形成典型层状裂纹。在二级颗粒尺度，揭示了NCM二级颗粒中一级晶粒取向与形貌对倍率性能与结构稳定性的影响机制。研究表明，一级晶粒径向排列并结合锂扩散各向异性可显著抑制裂纹扩展，表面包覆改性进一步提升了力学稳定性。在厚电极尺度，开发了电化学-力学耦合模型，解析了厚电极中离子/电子传输与应力分布的相互作用，发现不同深度处颗粒具有差异化力学失效行为。提出电极微结构与电子、离子及反应驱动通量的梯度匹配策略，优化了传输-反应动态平衡，协同提升了快充性能与机械稳定性。本研究系统建立了电极颗粒形貌-取向-稳定性之间的构效关系，为发展高性能、高稳定性电极材料提供了重要理论依据与设计策略。
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- 新能源汽车-中国科学技术大学-锂离子电池厚电极力-电化学耦合作用机理研究.pptx - 53.82MB
- 28-锂离子电池厚电极力-电化学耦合作用机理研究.pptx - 4.19MB