基于机械-热-电化学耦合的固态锂电池树枝生长相场仿真

固态锂电池具有诸多优势，如高能量密度、出色的循环稳定性、优异的机械强度、不易燃、增强的安全性以及延长的使用寿命。这些特征使其适用于航空航天、新能源汽车和便携式电子设备等应用。然而，锂树枝在电极/电解质界面上的生长仍是一个关键挑战，限制了性能和安全性。锂树枝在电解质中的生长不仅会降低电池的库仑效率，还可能导致电解质被刺破，从而引发阳极和阴极之间的内部短路。本研究采用相场理论对固态锂电池中锂树枝生长进行数值仿真。开发了通过耦合机械应力场、热场和电化学场的相场模型，以探讨在不同环境温度、外部压力及其组合效应下的锂树枝的形貌和演化。结果表明，更高的温度和更大的外部压力显著抑制锂树枝的生长，导致支树较少、表面更光滑、电化学沉积更均匀。增加的外部压力抑制纵向树枝生长，导致树枝形貌被压缩、致密性更高，但会增加机械不稳定性。温度和压力的综合作用对树枝生长具有显著的抑制作用，应力集中在树枝根部，这种应力分布促进横向生长，促进更平坦和更致密的锂沉积形成。