力——电化学耦合前沿研究——锂电池
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文一：
锂离子电池电化学-力学耦合的定量化研究
摘要：
锂离子电池的安全性和耐用性本质上取决于电化学和力学的耦合。需要跨学科的研究来理解和量化耦合行为。在这里，我们在多物理场建模的支持下，设计并进行了力学约束的充放电表征，以揭示锂离子电池中固液电极电解质和固体-固体活性材料的耦合机制。我们证明，在力学约束下的锂离子电池单元在充电过程中表现出更高的电压和更短的充电时间，这是由于电极孔隙率降低导致的电解质电阻增加和扩散率降低。电池的反作用力响应是电池结构力学响应和锂离子插层/脱层诱导的电化学体积变化的综合结果。在力学约束下，电池容量在快速充电情况下显著降低；然而，它可以通过恒压充电方式来恢复。研究结果强调了多物理方法在揭示电化学-机械耦合机制以指导电池系统设计和管理方面的前景。
图：在0.1C、0.5C和1C的C速率下，电池在力学约束下的典型电压和力学响应。
图：力学约束对电池性能的影响。
图：1000N预加载充放电过程中电池在力学约束下的受力响应机理。
图：考虑循环效应的电池的电压、温度和力学响应。
图：具有详细隔膜层、电极集流体和活性材料的袋式电池的计算模型。
文二：
圆柱形锂离子电池机械电化学耦合性能的实验研究
摘要：
随着锂离子电池安全要求的不断提高，迫切需要研究锂离子电池的力学性能和失效机理。在这项工作中，我们开发了一种集成光学成像和红外热成像功能的原位力学-电化学仪器，以研究电池在荷载作用下对其循环寿命、充放电性能和电化学阻抗的影响。该仪器可以实现各种加载形式，同时采集力、位移、温度和电压信号，实时监测电池的微观损伤和温度分布。进行了机械电化学耦合实验，以研究圆柱形压缩的机械滥用对电池容量和电化学阻抗的影响。还研究了压缩机械滥用对电池循环性能的影响。实验结果为预测力学损伤对电池性能的影响提供了参考。
图：LIB力学-电化学耦合原位测试系统。整体视图显示了光学红外原位测试仪器，包括加载系统、电池测试仪、电化学工作站和计算机；腔内视图显示了力传感器、热敏电阻传感器、光学显微镜和热成像仪；后视图显示了液压缸和位移传感器；信号采集软件如尾图所示。
图：电池放置的实体图。使用定制的工具来确定电池和压头的相对位置。
图：三种电池的容量和EIS。（a） 压缩0mm电池的容量，（b）压缩2mm电池的容量；（c）压缩4mm电池的容量。压缩0 mm和2 mm电池的容量和EIS变化很小，压缩4 mm电池的电容和EIS发生了显著变化。
文三：
解开锂离子电池在动态力学载荷下的机械-电化学耦合行为
摘要：
动态力学荷载，如冲击，是引发锂离子电池（LIB）短路、热失控甚至火灾/爆炸后果的主要灾难性因素之一。在这项研究中，研究了动态荷载下锂离子袋电池的力学完整性和电耦合行为。设计并进行了两种类型的实验，即压缩和落锤试验。研究了电池的荷电状态（SOC）和荷载率依赖性，以及它们的耦合效应。此外，通过实时监测负载过程中的电压变化，研究了电池的力响应和电行为之间的相互作用。LiCoO2锂离子袋电池的实验表明，较高的SOC和负载率会提高电池结构刚度。此外，负载率通过SOC效应加剧了电池结构的硬化。结果表明，电池组件的变形和材料失效共同决定了电池的电性能。更高的负载率会导致更快的电压降和更严重的内部短路。这种短路放电过程反过来又会影响动态载荷中的力响应。研究结果可能为LIB电气和力学耦合完整性的基本理解提供有用的见解，并为其碰撞安全设计奠定坚实的基础。
图：（a） 选定LiCoO2锂离子袋电池的几何形状和组成，（b）一个实验样品在1℃下的充电/放电曲线。
图：（a）压缩实验装置（实验设备包括通用材料试验机、压缩测试平台和电压传感器）和（b）落锤实验装置（试验设备包括一组质量块、负载传感器、数字示波器和测试平台）的示意图。
图：（a） 加载速率为0.5 mm/min时，不同SOC值下LIB的荷载位移曲线。（b）SOC¼0.2和0.4时LIB的峰值加载冲击能量曲线。（c） 载荷-位移曲线和（d）SOC为¼0.2的不同载荷速率下LIB的初始切线模量（落锤载荷速率在初始阶段（0e0.5 mm）被视为常数）。
文四：
电化学-力学耦合测量
摘要：
锂金属固态电池（LiSSB）在材料、组件和电池力学行为的测量以及基本力-电化学（热力学、输运和动力学）耦合的测量和理论方面提出了新的挑战。在这里，我们对正在进行的主要力学和电化学-力学（ECM）研究进行了分类，并概述了主要的力学测试平台。我们强调测试平台之间的关键区别，包括基于尖端与基于平台的样品压缩、基于表面与基于体积的分析、与真空或惰性气氛环境的易集成性、长时间控制和测量力/位移的能力、力和接触面积的范围等。在我们回顾的技术中，纳米压痕平台提供了一些独特的优势，这些优势与能够在接近1mm2的面积上使用基于尖端的纳米压痕技术和基于压板的压缩技术有关。样品设计也很重要：虽然大多数努力都是基于颗粒的（即使用固体电解质和阴极活性材料的颗粒，并使用烧结或压力使其致密化），但电化学响应的结果来自现有颗粒的整体收集。相比之下，薄膜（<1 mm）固态电池材料（如Li、LiPON、LCO）提供了定义清晰、均匀的结构，非常适合基础电化学力学研究，并为推动LiSSB和其他领域的潜在科学进步提供了重要机会。我们相信，通过对LiSSB材料、组件和电池的测试结构和实验方法的精心和新颖的共同设计，有令人兴奋的机会推进力学性能和电化学力学耦合的测量。
图：应力对由锂金属、单离子导电SE和多孔阴极组成的全电池中一系列过程的影响。
图：电化学-力学耦合分类。
图：ECM耦合测量的测试结构设计考虑。
文五：
具有粒子相互作用的一致耦合多尺度机力学-电化学电池模型及其验证
摘要：
作为一种固有的多尺度结构，连续尺度电池电极由许多微尺度粒子组成。目前，人们普遍认为每个粒子都是孤立的，而粒子中的应力只影响固体扩散。颗粒之间缺乏机械相互作用，应力对电化学反应速率的影响使得力学和电化学在连续尺度上解耦：电极中施加的连续尺度应力对电极中电化学反应的空间分布没有影响，反之亦然。本文首先提出了一个在微观和连续尺度上一致耦合力学和电化学的多尺度模型。微观颗粒应力是颗粒内浓度梯度诱导应力和颗粒相互作用应力的叠加，后者通过代表性体积单元与连续体尺度应力有关。电化学电荷转移动力学被推广到应力效应。粒子中的扩散由包括应力和相变的化学势描述。同时，我们开发了一个直接的三维粒子网络模型，该模型由真实的活性材料粒子组成。与多尺度模型不同，粒子网络模型中没有尺度分离和均匀化：所有粒子都用完全耦合的三维力学-电化学方程和有限元方法明确建模。粒子网络模型的结果是准确的，可以作为标准，但由于计算成本高，可以计算的粒子网络的大小是有限的。多尺度模型和粒子网络模型的结果比较表明，与三维粒子网络模型相比，多尺度模型具有良好、令人满意的精度，同时大大降低了计算成本。多尺度模型是解决电极中各种耦合问题的有力工具，从颗粒间裂纹扩展到高性能和长循环寿命的电极结构设计。
图：颗粒中的应力是浓度梯度诱导应力的叠加。
图：所有颗粒内（a）锂浓度、（b）径向应力和（c）沿颗粒半径的切向应力的分布。
图：直接三维粒子网络模拟中（a）300秒和（b）500秒时粒子中锂浓度的分布。
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