锂离子电池扩散诱导应力分析

"models.battery.diffusion_induced_stress.zh_CN.pdf" 这篇文档详细介绍了锂离子电池中的扩散诱导应力现象，这是由于锂离子在电极材料颗粒中的嵌入和脱嵌过程中引起的成分不均匀性导致的。在锂离子电池的工作过程中，尤其是在充电和放电时，电极材料会经历显著的体积变化，这会积累结构变化，最终可能导致电极颗粒的破裂，从而影响电池的性能和寿命。 文中提到，为了量化这种应力，需要将材料的弹性变形与锂离子的嵌入过程关联起来。由于原子扩散速度远慢于弹性变形，因此在研究中可以假设力学平衡接近静态平衡问题。在COMSOL Multiphysics 5.6版本中，利用“锂离子电池”接口，建模分析了负极材料颗粒内部的扩散诱导应力，包括径向和切向应力分量，以及von Mises应力，后者在颗粒表面达到最大值，中心处为0。 此外，模型还追踪了放电和松弛过程中的扩散诱导应变在时间和空间上的变化，特别是在负极颗粒表面的径向和切向分量。在放电时，随着锂离子的脱嵌，表面应变会随着时间减少。同时，模型还计算了负极材料颗粒中的总弹性应变能密度，这是一个关键参数，因为它驱动了颗粒的破裂过程。 模型应用的是石墨/LMO（锂锰氧化物）电池单元，材料参数取自电池材料库，模型域包括负极、隔膜、正极和电解质。负极由石墨（MCMBLixC6）组成，而正极则包含LMO活性材料、电子导体和填充物，电解质是1.0M LiPF6在EC:DEC的混合溶液。电池的电压大约为4V，具体取决于电池的荷电状态（SOC）。 通过“锂离子电池”接口，模型还涵盖了电子传导、离子电荷传输、材料传输、球形颗粒内的物质传输，以及Butler-Volmer电极动力学等电池工作过程的关键方面。对于扩散诱导应力的分析，模型假设颗粒内部的扩散是均匀的，并且考虑了扩散过程中的应力平衡。 总结来说，这个模型深入探讨了锂离子电池在工作过程中因扩散诱导应力而引发的电极结构变化，这对于理解和优化电池设计，防止电池性能退化，以及预测可能的失效模式具有重要意义。