多场耦合力学 | 锂电池破坏的数值仿真前沿进展

对锂离子电池（LIBs）快速容量损失的研究突出了充电/放电循环期间发生的丰富的机械现象领域，仅举几个例子，即与非线性弹性、塑性化、断裂、各向异性、结构不稳定性和相分离现象相结合的大变形。在过去的十年里，人们进行了大量的实验和理论研究来研究和模拟这些现象。一方面，这篇综述旨在全面概述在三个不同尺度（即颗粒、电极和电池单元水平）上模拟LIBs的耦合化学-机械行为的方法。因此，重点是力学对电池性能和降解机制的影响。我们指出了这些模式中的关键点，以及解决这些问题的挑战。特别是，通过概述理论和数值模型的里程碑，我们为电化学和机械界感兴趣的读者提供了一个循序渐进的指导。另一方面，这篇综述旨在促进机械耦合建模的知识转移到全固态电池的研究中，由于固体电解质施加的附加机械约束，机械问题预计将发挥更为多样和重要的作用。

 

 

 

 

开发了一个锂电池的微观模型，该模型考虑了锂在颗粒内的扩散、锂从颗粒转移到电解质以及电解质内的传输，假设电解质为稀电解质和Butler–Volmer反应动力学。利用颗粒相对于电极尺寸的小尺寸，系统地推导和研究了均匀化模型（与现有理论一致）。给出了各种平均量如何与基础几何结构和假设相关的详细信息。均化过程的新特征是，它允许根据电极的微观特征（例如颗粒尺寸和形状）导出电极尺度模型中的系数，因此可以用作研究颗粒设计变化影响的系统方法。渐近方法被用来进一步简化模型，使得一维行为可以用相对简单的表达式来描述。已经发现，对于低放电电流，电池几乎均匀地起作用，而在临界电流以上，电池的区域变得锂离子耗尽，并且反应速率大大降低，导致电极的使用在空间上不均匀。渐近近似适用于OCV是嵌入锂浓度的强函数的电极材料，如LixC6，但不适用于具有平坦放电曲线的材料，如LiFePO4。

 

 

锂离子电池具有能量密度高、寿命长等优点，是最有前途的储能设备之一，在海洋工业中有着广泛的应用。循环过程中的耦合扩散力学过程对离子扩散和应力演化有显著影响。这可能导致电极的大变形，这是裂纹形核和扩展的主要原因。因此，这将对电池的电容量和热稳定性产生负面影响，并可能导致电池故障。因此，本研究正在研究电极板锂化过程中的裂纹扩展和应力演化。周动力学作为一种新的计算技术，被用于这一目的，并考虑了各种验证和演示案例来证明所开发的框架的能力。

 

 

 

 

锂离子电池从消费电子产品扩展到更大规模的运输和储能应用，这使得了解导致电池退化的许多机制变得越来越重要。这一复杂主题的文献有了相当大的发展；这个观点旨在将当前的知识提炼成简洁的形式，作为理解电池退化的参考和指南。与其他综述不同，这项工作强调了不同机制和用于触发、识别和监测各种机制的不同物理和化学方法之间的耦合，以及试图模拟这些相互作用的各种计算模型。退化分为三个层次：实际机制本身，称为模式的细胞级可观察到的后果，以及容量或功率衰减等操作效果。发现了五种主要机制和十三种次要机制，这些机制通常被认为是正常运行过程中退化的原因，它们都产生了五种可观察的模式。流程图说明了耦合各种形式退化的不同反馈回路，同时提供了一个表格来强调最有可能触发特定退化机制的实验条件。它们共同为研究电池退化的实验或模型设计提供了强有力的指导。

 

 

 

 

 

 

使用电动汽车进行货物配送开辟了一个广泛的研究问题。电池电动汽车（BEV）使用寿命有限的电池，以及在其用于商品分销时需要考虑的特定充电和放电模式。虽然已经调查了许多与货运电动汽车在分销管理问题中的集成相关的运输问题，但对于如何对此类问题中的电池退化和行为进行建模，还有进一步研究的空间。本文的目的是为交通科学家提供易于处理的模型，从而预测纯电动汽车电池的寿命退化和瞬时充放电行为。