多场耦合力学 | 锂电池破坏的数值仿真前沿进展
文一：
锂离子电池电化学力学模型研究进展
摘要：
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。
图：分别具有复合阳极和锂金属阳极的锂离子电池的（a）机械和（b）机械降解机制示意图。
图：（a） 多硅纳米线锂化和机械相互作用的实验和建模研究。在第一个循环中，几何约束将Si中典型的各向同性锂化行为转变为各向同性锂。这种改性应导致较小的应力不均匀性和Si阳极的退化。然后通过有限元模拟获取结果。（b） 在固定位移边界下，机械约束对条形粒子的影响。分析计算和数值模拟表明，无论是否考虑相相关弹性模量，平衡时的相分离行为都可能不同。
图：由于不同的初始缺陷导致颗粒破裂。
图：（a–b）颗粒间相分离。（左）三个粒子的连通网络的模拟结果。（右）基于扫描透射X射线显微镜（STXM）图重建的互连网络的成分和相位异质性（c） 锂化过程中聚合物基体中一次嵌入球形和米老鼠形状颗粒的变形复合电极的浓度分布。
文二：
锂离子电池充放电的多尺度建模与分析
摘要：
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。
图：电池配置示意图。电极由堆积在一起的粒子组成。它们被浸入电解质中，并且通过在它们之间放置多孔间隔物来避免两个电极之间的接触，只有电解质可以通过该多孔间隔物渗透。在放电过程中，从正极流出的电流驱动从负极颗粒中提取Li阳离子，这些离子通过隔膜传输（通过扩散和迁移）到正极中，并随后插入到正极颗粒中。
图：对应于电解质的数学域的示意图。
文三：
船用锂离子电池断裂的近场动力学模型
摘要：
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。
图：预裂方形电极板试样。
图：具有固定裂纹的电极板的结果：（a）初始损伤（b）x方向位移（c）y方向位移（d）静水应力（e）锂离子浓度。
图：允许裂纹扩展后电极板的结果：（a）初始损伤（b）变形后的损伤（c）x方向上的位移（d）y方向上的移位（e）静水应力（f）锂离子浓度。
图：具有11个随机定位裂纹的电极板的结果：（a）初始损伤（b）变形后的损伤（c）静水应力（d）锂离子浓度。
文四：
锂离子电池退化：你需要知道的
摘要：
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。
图：示意图显示了锂离子电池的基本组件以及本综述中所涵盖的降解机制的位置和后果，主要机制标记为绿色，次要机制标记为暗红色。
图：显示过渡金属溶解的各种后果和原因的示意图，包括与SEI和pSEI形成和生长的联系。
图：颗粒应力与容量损失率的相关性。
图：这篇综述中解释了初级和次级机制之间的复杂相互作用，显示了每种机制如何导致降解模式，以及这些机制如何反过来表现为对细胞性能的影响。
图：为研究硅-石墨复合电极中体积膨胀系数和孔隙率的影响而开发的分析模型。
图：以物理模型和经验模型为代表的多尺度电池建模说明。
文五：
电动汽车的电池退化和性能：几种模型的回顾与数值分析
摘要：
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。
图：锂离子电池功能示意图。
图：锂离子电池阴极老化机理综述。
图：25°C下不同存储SOC值的容量损失。
图：循环寿命与快速充电率。
图：典型恒流放电曲线。
图：CC阶段不同电流值的CC-CV充电曲线的比较。
来源：STEM与计算机方法
