用于预测全固态电池锂-电解质界面空隙演化的相场电-化-力耦合公式
材料科学
2022-08-31 v1 计算工程、金融与科学
应用物理
化学物理
摘要
我们提出了一种机理理论，用于预测全固态电池充放电过程中锂金属电极内的空隙演化。我们发展了相场公式来模拟空位湮灭与成核，并实现空隙-锂金属界面的追踪。该公式与描述锂变形的粘塑性模型相耦合以捕捉蠕变效应，并采用考虑置换式（体相与表面）锂扩散和电流驱动通量的质量传输公式。此外，我们纳入了电极与固体电解质之间的相互作用，在两个域内求解电-化-力耦合问题。由此能够预测电解质电流分布，进而揭示局部电流“热点”的出现，其作为枝晶形成与电池失效的前兆。该理论框架得到了数值实现，并开展了单空隙与多空隙案例研究，以预测空隙与电流热点随外加压力、材料性质及电荷（大小与循环历史）的演化。对于镀锂与剥离过程，我们深入理解了体相扩散、锂溶解与沉积、蠕变以及空位成核与湮灭之间的相互作用。结果表明，该模型捕捉了主要实验观测现象，不仅包括电解质电流与空隙形貌的关键特征，还包括对施加电流的敏感性、压力在增加电极-电解质接触面积中的作用，以及蠕变相对于空位扩散的主导地位。
引用
@article{arxiv.2206.14753,
title = {A phase field electro-chemo-mechanical formulation for predicting void evolution at the Li-electrolyte interface in all-solid-state batteries},
author = {Y. Zhao and R. Wang and E. Martínez-Pañeda},
journal= {arXiv preprint arXiv:2206.14753},
year = {2022}
}