本刊推荐 | 上海工程技术大学李培超课题组：基于电化学-热-力耦合模型的快速充电下锂离子电池老化特性分析

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该论文基于电化学-热-力多场耦合模型研究了快充条件下的锂离子老化行为，具体地从SEI生长、SEI的非均匀分布、电极材料热稳定性和应力特性等方面分析了充放电倍率和循环次数的增加对电池老化的影响，最终表明正极材料的坍塌主导了电池容量损失过程。

背景介绍

在全球变暖和能源短缺的环境下，能源格局正朝着可持续、绿色和能源效率的方向发展。在各种清洁能源中，锂离子电池以其能量密度高、重量轻、寿命长等特点脱颖而出。随之而来的性能需求的增加导致了锂离子电池能量密度的显著提升，进而可能会引发许多安全问题。长时间使用锂电池中出现的最重要的问题是老化，特别是在快速充电(高充电率)下，包括容量和能量密度衰减。老化现象主要包括电池材料变形、可用锂离子损失、热稳定性降低等。因此，关注和理解快速充电下锂电池的老化行为至关重要。

研究出发点

基于电化学-热-力多场耦合模型，从多场耦合的角度研究了锂离子电池在快充下的老化行为，并阐述了造成此现象的反应机理。这项工作旨在为研究人员提供有价值的见解，帮助他们研究电池老化的根本原因并制定相应的保护措施来减轻老化的影响。

图文解析

图1  负极域上SEI非均匀分布

图2  不同倍率和循环下正负极表面热通量分布（上左：100循环时刻负极 上右：500循环时刻负极 下左：100循环时刻正极 下右：500循环时刻）

图3  5C速率下不同时刻的扩散诱导应力(A)诱导应力径向分量(B)切向分量(C) Von Mises应力。

图4  长循环下正负极处von Mises应力和可用锂离子浓度

图5  正负极表面体积应变

总结与展望

(1)随着充放电倍率的增加，高反应电流导致的SEI分布非均匀性越来越差，以及SEI浓度的增加最终导致电池长循环后后容量损失加剧。

(2)由于充放电率的增加，电池的发热量增加，整个循环过程中的温升更高。同时，随着循环次数的增加，电极材料的散热率逐渐降低，最终导致电极材料的热稳定性降低。并且正极材料的劣化程度比负极材料的劣化程度更糟。

(3)长周期循环后，正极材料的von Mises应力高于负极材料。由于扩散诱导应力的分布特性，正极材料最终表现为拉伸变形，负极材料最终表现为压缩变形。长时间循环下的温升和应力变化使得正极材料中的有效锂离子浓度低于负极材料。结果表明，长周期循环下锂离子电池的容量损失过程主要是正极材料的坍塌。

课题组介绍

李培超，上海工程技术大学教授。1998年和2003年分别获得中国科学技术大学理学学士（理论与应用力学）和工学博士（流体力学）学位，曾任中国石油大学（北京）和长庆石油勘探局博士后，普林斯顿大学高级研究学者（2013.7-2014.7）。

迄今发表学术期刊和会议论文180余篇，其中SCI收录论文80余篇，近5年发表第1作者或通讯作者SCI收录论文20余篇；出版专著1部；授权发明专利2件和实用新型专利1件；获2016年上海市力学学会优秀青年学者奖。目前主持国家自然科学基金面上项目1项，负责完成上海市自然科学基金1项。主要学术兼职和社会服务：中国力学学会会员、中国工程热物理学会会员、中国能源研究会储能专业委员会委员、上海市力学学会岩土力学专业委员会委员；国家自然科学基金通信评审专家、国家/上海市科技专家库专家、教育部学位中心/上海市学位办研究生学位论文评审专家；Physics of Fluids、Langmuir、International Communications in Heat and Mass Transfer、International Journal of Numerical Methods for Heat and Fluid Flow、Energy and Fuels、International Journal for Numerical and Analytical Methods in Geomechanics、Theoretical and Applied Mechanics Letters和《力学学报》、《计算力学学报》、《应用力学学报》、《地球科学》、《热科学与技术》等40余种学术期刊的审稿人。

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关于本文

引用格式：

左东旭, 李培超. 基于电化学-热-力耦合模型的快速充电下锂离子电池的老化特性分析[J]. 电化学（中英文）,2024, doi: 10.61558/2993-074X.3468.

Dongxu Zuo and Peichao Li. Aging Characteristics of Lithium-ion Battery under Fast Charging based on Electrochemical-Thermal-Mechanical Coupling Model[J]. Journal of Electrochemistry, 2024, doi: 10.61558/2993-074X.3468.

DOI：10.61558/2993-074X.3468

https://electrochem.xmu.edu.cn/CN/10.61558/2993-074X.3468

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