【创新前沿】 JMPS报道我校锂离子电池失效研究最新成果

稿件来源:机动学院   |作者:机动学院   |摄影:机动学院   |编辑:潘聪聪   |浏览量:2085

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近日,我校机械与动力工程学院栾伟玲教授课题组与我校讲座教授、英国思克莱德大学陈浩峰教授合作,在机械工程领域顶级期刊Journal of Mechanics and Physics of Solids (JMPS)发表了题为“Shakedown, ratcheting and fatigue analysis of cathode coating inlithium-ion battery under steady charging-discharging process”的研究论文,首次报道了锂离子电池电极材料在稳态循环充放电过程中的塑性行为及失效机理研究成果。

锂离子电池因其高能量密度、长寿命等优点成为汽车运输和电子产品能源的优先选择。在锂离子电池循环充放电过程中,随着锂离子的嵌入脱出,电极材料活性物质体积发生膨胀和收缩,从而产生循环扩散诱导应力。锂离子电池中电极材料在循环扩散诱导应力以及机械载荷联合作用下,会发生循环塑性行为导致的电极材料损伤,如棘轮和疲劳,从而影响电极材料的完整性,这是电池寿命衰减的一个重要原因。   

研究团队就目前最为关注的LiNixMnyCozO2(NMC)三元正极材料为研究对象,基于电池充放电实验和有限元分析模型(图1),应用自主研发的新一代先进数值方法计算了NMC活性层在循环扩散诱导应力和恒定机械载荷下的安定棘轮边界(图2),为理解不同充放电工况下电极材料的不同损伤机理铺平了道路。另外数值结果也表明,正极中心存在低周疲劳现象,正极边缘存在棘轮现象,与实验结果吻合(图2)。论文进一步考虑了NMC活性层厚度对电池性能的影响,结果表明反向塑性极限和棘轮极限随厚度的增加而增大,而随着活性层的变薄正极在受到循环扩散诱导应力时变得更加危险,必须综合考虑厚度对NMC活性层力学破坏和电化学性能的影响。此外,结合电化学实验数据,研究团队进一步得到了NMC活性层的疲劳损伤寿命曲线,可以有效地预测锂离子电池电极材料活性涂层在不同充放电工况下的使用寿命。

图1 (a)正极材料锂离子嵌入/脱出过程示意图    (b)锂化阶段模型施加载荷和边界条件

图2 (a) NMC正极材料涂层安定和棘轮极限边界 (b) 详细有限元分析验证安定和棘轮边界的准确性

(c) NMC活性层塑性应变范围和棘轮应变云图(d)循环充放电试验前(左)和循环充放电试验后(右)的NMC正极

该论文第一作者是我校栾伟玲教授和英国思克莱德大学陈浩峰教授联合指导的博士研究生陈莹,栾伟玲教授和陈浩峰教授为共同通讯作者。该研究工作得到了国家留学基金委、国家自然科学基金、“111”引智计划、上海汽车工业科技发展基金会的资助。

值得指出的是,在过去一年里,该团队在锂离子电池电极活性颗粒以及极片损伤模型建立、循环塑性破坏及寿命预测方面的研究取得了一系列进展,已发表多篇高影响力学术论文(International Journal of Mechanical Sciences, 2020: 105608;International Journal of Fatigue, 2021, 142: 105915; European Journal ofMechanics, A/Solids, 2021, 86:104175)。该研究工作在基于应力场的锂离子电池电极寿命预测领域的研究结果不仅系统解析了电极材料的力学损伤机理,也对优化电极材料的设计与合成、获得高性能高安全性的锂离子电池具有重要的指导意义。

原文链接:https://authors.elsevier.com/a/1ceEM57Zjzhc6

 

发布时间:2021-03-03
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