锂电池球形梯度材料颗粒电极的扩散应力分析

摘要

为了探索球形梯度材料颗粒电极的力学退化机理,在考虑力学-扩散双向耦合的基础上建立模型分析了该类电极在充放电过程中扩散诱导应力的分布和演化.结合Prussin提出的热应力比拟法,在本构方程中引入扩散引起的体应变建立球形梯度材料颗粒电极的力学控制方程;考虑静水应力对化学势的影响结合物质守恒方程建立了该类电极的扩散控制方程.求解该组强耦合的非线性偏微分方程组的同时,分析了材料的非均匀性导致方程中非均匀的弹性模量、扩散系数、偏摩尔体积对扩散过程及扩散应力分布的影响.结果表明,颗粒电极表面弹性模量小,中心弹性模量大对减小扩散应力有利;表面扩散系数相比中心扩散系数对锂离子的扩散过程贡献更大;非均匀的偏摩尔体积对稳态的扩散应力分布影响较大.结论对球形梯度材料颗粒电极的设计及优化有一定指导意义.