上海大学储能材料力学团队封面综述: 基于力学的锂离子电池设计方法

研究背景

为了满足快速增长的储能需求，具有高能量密度、高工作电压和低自放电率等优点的锂离子电池受到学术界和产业界的持续关注。然而在锂电领域，相较于电池组分及其化学成分的相关研究，针对电池多尺度结构的研究尚未得到充分重视。

锂离子电池内的物理过程普遍受到力学行为的影响。在充放电过程中，活性材料的锂化/脱锂化导致电极的多尺度膨胀/收缩，而在多尺度扩散中产生的锂离子浓度梯度引起电极内的不均匀变形，进而产生多尺度的机械应力。这些应力会进一步造成电极的多尺度力学损伤，最终导致锂离子电池的力化耦合失效。同时，应力/应变也会直接影响电池的内在特性，例如电压曲线、颗粒/电极的物质传输以及锂枝晶的生长等。这些重要的力化耦合问题使得针对锂离子电池的力学分析在过去十年中迅速发展。

而对力学分析而言，研究对象的几何结构是其基本要素，结构变形也是其主要关注的对象之一。因此，考虑到力化耦合机制对电池的重要影响，对力化耦合行为的研究可以作为电池多尺度结构设计的切入点。

研究内容

近日，上海大学力学与工程科学学院张俊乾教授团队结合在锂离子电池领域和固体力学领域多年研究经验，受邀撰写了关于锂离子电池力学设计的前瞻性观点论文，回顾了目前基于力学分析的锂离子电池多尺度设计的研究进展，并讨论了该领域当前所面临的主要问题与挑战。

▲	图 1. 锂离子电池的力学设计

相关工作以题为“Mechanics-based design of lithium-ion batteries: a perspective”的论文发表在英国皇家化学会期刊 Physical Chemistry Chemical Physics 上，并入选为期刊封面。该论文的第一作者为吕浡副研究员。该研究得到了国家自然科学基金等经费的资助。

综述重点讨论了两类典型的电池力学设计，即制备阶段的设计和使用阶段的设计：前者从力学响应出发，关注从颗粒到电芯的多尺度结构设计；而后者则侧重于在役电池外部的力学相关控制。

同时，文中还提出了电池力学设计领域目前面临的普遍挑战，即对力化耦合机制认识的欠缺和多目标优化的困境，而这些挑战本质上均源自电池问题本身的复杂性。为克服这些挑战，作者提出了围绕特定应用场景和围绕数据驱动的两条发展路径。这些讨论将为锂离子电池的结构设计和新型储能电池的研发提供帮助和指导。

▲	图 2. 锂离子电池力学设计中的矛盾与平衡

论文信息

• Mechanics-based design of lithium-ion batteries: a perspective

  Bo Lu*, Yanan Yuan, Yinhua Bao, Yanfei Zhao, Yicheng Song and Junqian Zhang*

  Phys. Chem. Chem. Phys., 2022, 24, 29279-29297
  https://doi.org/10.1039/D2CP03301A

团队介绍

上海大学储能材料力学团队长期致力于储能电池的应力、损伤、耦合行为以及优化与设计等方面的理论和实验研究。相关代表性成果有：

(1)    通过探究圆柱电池电极的扩散诱导应力演化，从力学分析的角度提出了可提升电池稳定性的大圆柱电池结构设计（宋亦诚等, J Electrochem Soc, 2012, 159(12), A2060）。(2)    发展了可有效抑制力化耦合快速劣化的高容量电极部分锂化方法，并实验验证了基于部分锂化设计的高容量电池的高性能长寿命特性（吕浡，张俊乾等, Electrochim Acta, 2019, 295, 778）。(3)    建立了快速充电颗粒应力等效模型，研发了基于活性颗粒应力充放电调控的超快充电电池，在避免试错的前提下实验实现了超快充电的多目标优化（吕浡等, J Electrochem Soc, 2021, 168, 060549）。(4)    提出了柔性电池的仿生刚柔复合结构设计方法，实现了高比能、高柔性、长寿命的柔性锂离子全电池制造，具有低成本、可定制、易扩展的优势（鲍垠桦等, Energy Storage Mater, 2022, 47, 149）。(5)    揭示了应力对电化学反应的耦合作用，提出了应力耦合的电化学反应动力学方程，修正了作为电化学学科基本方程的 Butler-Volmer 方程，并定量阐释了硅电极的电压迟滞现象（吕浡，宋亦诚，张俊乾等，Phys Chem Chem Phys, 2016, 18, 4721）。

(6)    设计了双层悬臂梁电极测试系统，通过观测电极弯曲曲率实现了电极模量和偏摩尔体积演化的同步实时原位测量（张俊乾等，J Power Sources, 2017, 366, 80）。

相关期刊

rsc.li/pccp

Phys. Chem. Chem. Phys.

2-年影响因子*	3.945分
5-年影响因子*	3.861分
最高 JCR 分区*	Q1 物理-原子分子&化学
CiteScore 分†	6.3分
中位一审周期‡	35 天

Physical Chemistry Chemical Physics (PCCP) 报道物理化学、化学物理和生物物理化学的前沿进展，所发论文包含了对物理化学的重大创新和/或见解。该刊发文范围很广，包括光谱学、动力学、统计力学、热力学、电化学、催化、表面科学、量子力学和理论发展。本刊也注重发表对物理化学带来重大创新和/或深刻见解的跨学科研究成果，例如聚合物和软物质、材料科学、纳米科学、能源，表面/界面和生物物理化学等学科。该刊由英国皇家化学会出版，并由 19 个不同国家和地区的化学学会共同拥有。

Chair David Rueda 🇬🇧 伦敦帝国理工学院

Deputy chair Anouk Rijs 🇳🇱 阿姆斯特丹自由大学

Associate editors

Bo Albinsson 🇸🇪 查默斯科技大学 Kiyotaka Asakura 🇯🇵 北海道大学 Piero Baglioni 🇮🇹 佛罗伦萨大学 Luis Bañares 🇪🇸 马德里康普鲁滕斯大学 Chantal Daniel 🇫🇷 斯特拉斯堡大学 Keith Gordon 🇳🇿 奥塔哥大学 Jürgen Janek 🇩🇪 吉森大学 Hiroshi Kondoh 🇯🇵 庆应义塾大学

Anna Krylov 🇺🇸 南加州大学 Prabal Maiti 🇮🇳 印度科学院 Ron Naaman 🇮🇱 魏兹曼科学研究所 Henry Schaefer 🇺🇸 佐治亚大学 Isaac Tamblyn 🇨🇦 渥太华大学 Yunjie Xu (徐云洁) 🇨🇦 阿尔伯塔大学

* 2021 Journal Citation Reports (Clarivate, 2022)

^† CiteScore 2021 by Elsevier

^‡ 中位数，仅统计进入同行评审阶段的稿件

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