具有力学约束的化机耦合电池活性颗粒循环变形的模拟
数值分析
2024-04-03 v3 数值分析
摘要
采用硅负极的下一代锂离子电池相较于最先进的石墨负极具有更高能量密度等积极特性。然而，硅负极的巨大体积膨胀会引起高机械应力，尤其在电池活性颗粒无法自由膨胀时。本文中，一个用于耦合电极颗粒化学与力学效应的热力学一致连续介质模型，通过变分不等式对位移的边界条件进行改变而得以扩展。这一转换代表了由于锂在宿主材料中的嵌入或脱嵌分别导致的颗粒膨胀或收缩受到有限限制。对于以不等式约束作为边界条件，需要更小的时间步长以及局部更细的网格。将 primal-dual active set 算法（解释为半光滑牛顿法）与时空自适应算法相结合，使得基于有限元方法的高效数值研究成为可能。以硅为例，研究了一维与二维代表性几何在充放电循环中的化学与力学行为。此外，展示了自适应算法的效率。结果表明，间隙大小对最大应力值及增长斜率有显著影响。尤其在二维中，障碍会导致一个额外的富锂相缺失区域（锂贫相区域）。
引用
@article{arxiv.2302.07786,
title = {Simulation of the Deformation for Cycling Chemo-Mechanically Coupled Battery Active Particles with Mechanical Constraints},
author = {R. Schoof and G. F. Castelli and W. Dörfler},
journal= {arXiv preprint arXiv:2302.07786},
year = {2024}
}