近日，來自華東理工大學(xué)機械與動力工程學(xué)院欒偉玲教授課題組與該校講座教授、英國思克萊德大學(xué)陳浩峰教授合作，在機械工程領(lǐng)域頂級期刊Journal of Mechanics and Physics of Solids (JMPS)發(fā)表了題為“Shakedown, ratcheting and fatigue analysis of cathode coating inlithium-ion battery under steady charging-discharging process”的研究論文，首次報道了鋰離子電池電極材料在穩(wěn)態(tài)循環(huán)充放電過程中的塑性行為及失效機理研究成果。

鋰離子電池因其高能量密度、長壽命等優(yōu)點成為汽車運輸和電子產(chǎn)品能源的優(yōu)先選擇。在鋰離子電池循環(huán)充放電過程中，隨著鋰離子的嵌入脫出，電極材料活性物質(zhì)體積發(fā)生膨脹和收縮，從而產(chǎn)生循環(huán)擴散誘導(dǎo)應(yīng)力。鋰離子電池中電極材料在循環(huán)擴散誘導(dǎo)應(yīng)力以及機械載荷聯(lián)合作用下，會發(fā)生循環(huán)塑性行為導(dǎo)致的電極材料損傷，如棘輪和疲勞，從而影響電極材料的完整性，這是電池壽命衰減的一個重要原因。

研究團隊就目前最為關(guān)注的LiNixMnyCozO2(NMC)三元正極材料為研究對象，基于電池充放電實驗和有限元分析模型（圖1），應(yīng)用自主研發(fā)的新一代先進數(shù)值方法計算了NMC活性層在循環(huán)擴散誘導(dǎo)應(yīng)力和恒定機械載荷下的安定棘輪邊界（圖2），為理解不同充放電工況下電極材料的不同損傷機理鋪平了道路。

圖1 (a)正極材料鋰離子嵌入/脫出過程示意圖 (b)鋰化階段模型施加載荷和邊界條件

另外數(shù)值結(jié)果也表明，正極中心存在低周疲勞現(xiàn)象，正極邊緣存在棘輪現(xiàn)象，與實驗結(jié)果吻合（圖2）。論文進一步考慮了NMC活性層厚度對電池性能的影響，結(jié)果表明反向塑性極限和棘輪極限隨厚度的增加而增大，而隨著活性層的變薄正極在受到循環(huán)擴散誘導(dǎo)應(yīng)力時變得更加危險，必須綜合考慮厚度對NMC活性層力學(xué)破壞和電化學(xué)性能的影響。此外，結(jié)合電化學(xué)實驗數(shù)據(jù)，研究團隊進一步得到了NMC活性層的疲勞損傷壽命曲線，可以有效地預(yù)測鋰離子電池電極材料活性涂層在不同充放電工況下的使用壽命。

圖2 (a) NMC正極材料涂層安定和棘輪極限邊界 (b) 詳細有限元分析驗證安定和棘輪邊界的準(zhǔn)確性(c) NMC活性層塑性應(yīng)變范圍和棘輪應(yīng)變云圖(d)循環(huán)充放電試驗前（左）和循環(huán)充放電試驗后（右）的NMC正極

該論文第一作者是我校欒偉玲教授和英國思克萊德大學(xué)陳浩峰教授聯(lián)合指導(dǎo)的博士研究生陳瑩，欒偉玲教授和陳浩峰教授為共同通訊作者。該研究工作得到了國家留學(xué)基金委、國家自然科學(xué)基金、“111”引智計劃、上海汽車工業(yè)科技發(fā)展基金會的資助。

值得指出的是，在過去一年里，該團隊在鋰離子電池電極活性顆粒以及極片損傷模型建立、循環(huán)塑性破壞及壽命預(yù)測方面的研究取得了一系列進展，已發(fā)表多篇高影響力學(xué)術(shù)論文（International Journal of Mechanical Sciences, 2020: 105608;International Journal of Fatigue, 2021, 142: 105915; European Journal ofMechanics, A/Solids, 2021, 86:104175）。該研究工作在基于應(yīng)力場的鋰離子電池電極壽命預(yù)測領(lǐng)域的研究結(jié)果不僅系統(tǒng)解析了電極材料的力學(xué)損傷機理，也對優(yōu)化電極材料的設(shè)計與合成、獲得高性能高安全性的鋰離子電池具有重要的指導(dǎo)意義。（來源：華東理工大學(xué))

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