2.2 應(yīng)力/快速溫升下電池電極位錯/應(yīng)力電極/空洞耦合能量轉(zhuǎn)換技術(shù)

電池材料的本質(zhì)是能量轉(zhuǎn)換，人們分析認(rèn)為應(yīng)力/溫升與微結(jié)構(gòu)有關(guān)，由于微尺度應(yīng)力遷移，且應(yīng)力分布不均勻，裂紋與應(yīng)力電極、應(yīng)力遷移有關(guān)，如圖2-5所示。微裂紋在應(yīng)力循環(huán)過程中隨微區(qū)應(yīng)力遷移和位錯攀移運(yùn)動而改變，其變化特點(diǎn)和尺度取決于微結(jié)構(gòu)應(yīng)力電極與應(yīng)力遷移的耦合作用。在微尺度層面，微區(qū)溫度電極和應(yīng)力電極是耦合的，例如：溫升引起電極材料微結(jié)構(gòu)體積膨脹又產(chǎn)生應(yīng)力電極，從而導(dǎo)致變形，并引起應(yīng)力遷移與界面偏聚。無論是遠(yuǎn)距離續(xù)駛所需的高能量，還是重載所需的高功率，均會導(dǎo)致非平衡狀態(tài)瞬間大電流/快速溫升，大電流/快速溫升是電池性能監(jiān)測時(shí)重點(diǎn)考慮的因素，快速溫升產(chǎn)生微區(qū)溫度電極與應(yīng)力電極，大電流推動微尺度位錯攀移運(yùn)動，使得位錯云體積增大，并與應(yīng)力電極耦合誘發(fā)空洞成核。這些缺陷演化擴(kuò)展后將加速電池性能能量轉(zhuǎn)換，導(dǎo)致電池材料失效耦合。電池電極材料問題的復(fù)雜性給建立微尺度實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛶硇碌奶魬?zhàn)和發(fā)展機(jī)遇。

圖2-5 動力電池電極能量轉(zhuǎn)換鋰化進(jìn)程中裂紋演化與斷裂表征

a）TEM表征的Li_xSi電極材料表層裂紋 b）Li_xSi電極材料裂紋萌發(fā)表征 c）電極材料表層裂紋發(fā)生是由于應(yīng)力電極引起的鋰化電極材料體積膨脹模擬

有學(xué)者在電極材料模型中應(yīng)用工程熱力學(xué)第二定律，考慮了位錯運(yùn)動的影響，確定了溫度電極，為分析平衡狀態(tài)下微尺度耦合行為提供了幫助。該工作模擬了位錯聚集形成空洞演化過程，伴隨位錯的滑移和攀移，空洞形狀不斷改變，如圖2-6所示。動態(tài)空洞在材料薄弱點(diǎn)成核，空洞形成局部釋放了材料內(nèi)部彈性應(yīng)變能，周圍材料進(jìn)行變形以適應(yīng)空洞不斷長大，鄰近納米尺度空洞相互作用貫通形成更大尺度微米尺度空洞。微尺度空洞會導(dǎo)致應(yīng)力電極、應(yīng)力集中，伴隨損傷局部化與簇集，然后造成微裂紋生長與擴(kuò)展。當(dāng)位錯密度和尺度達(dá)到一定臨界值時(shí)，材料內(nèi)部形成斷裂。

圖2-6 電池能量轉(zhuǎn)換過程中位錯聚集形成空洞演化過程

a）雙空洞通過發(fā)射位錯長大 b）空洞在位錯交匯處成核 c）空洞與鄰近空洞貫通

位錯/應(yīng)力/空洞耦合效應(yīng)導(dǎo)致應(yīng)力面應(yīng)力遷移、應(yīng)力誘生空洞等復(fù)雜演化，包括位錯攀移、應(yīng)力界面位錯結(jié)構(gòu)及非平衡狀態(tài)快速溫升下微區(qū)應(yīng)力集中等復(fù)雜過程。在建立位錯/應(yīng)力電極/應(yīng)力遷移模型時(shí)，未考慮定量表征非平衡狀態(tài)應(yīng)力/快速溫升對電極材料微結(jié)構(gòu)及位錯攀移運(yùn)動的影響，降低了能量轉(zhuǎn)換機(jī)制中微尺度表征的準(zhǔn)確性與可靠性。我們建立了應(yīng)力/快速溫升條件下電池電極材料位錯/應(yīng)力/空洞耦合模型，并開發(fā)了位錯/應(yīng)力/空洞耦合行為的分析技術(shù)，用于指導(dǎo)電極材料微結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與制備，提高電動車輛復(fù)雜工況下的安全性與耐久性。