化学-弹-塑性耦合电池活性颗粒的建模与仿真
数值分析
2024-08-07 v3 数值分析
摘要
作为锂离子电池的负极材料，非晶硅比目前使用的石墨负极具有显著更高的能量密度。然而，锂与硅的合金化反应会引起大变形并导致高达 300% 的体积变化。我们基于有限变形，建立了非晶硅及其与锂的合金的化学-弹-塑性扩散-变形行为的热力学一致连续介质模型。本文提出了两种塑性理论，即带线性各向同性硬化的率无关理论和率相关理论，以允许塑性变形的演化并降低所产生的应力。利用现代数值技术，如高阶有限元方法以及高效的空间和时间自适应求解算法，比较了两种理论所产生的扩散-变形行为。为了进一步提高计算效率，采用了自动微分方案，与全局有限元牛顿法的算法线性化相比，在组装时间上实现了显著加速。两种塑性方法均导致更不均匀的浓度分布，并在一个充电周期结束时使颗粒表面切向 Cauchy 应力变为拉应力。不同的参数研究表明塑性变形如何被放大。有趣的是，椭圆形颗粒仅在较小半轴上出现塑性变形。借助所应用方法展现出的效率，本文还讨论了五个充电周期后的结果，并可为锂离子电池长期使用性能提供指示。
引用
@article{arxiv.2310.05440,
title = {Modeling and Simulation of Chemo-Elasto-Plastically Coupled Battery Active Particles},
author = {Raphael Schoof and Johannes Niermann and Alexander Dyck and Thomas Böhlke and Willy Dörfler},
journal= {arXiv preprint arXiv:2310.05440},
year = {2024}
}