邱健蓄电池约束结构全固态电池中电化学-机械耦合的多物理场建模
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邱健蓄电池 发布时间：2026-03-09 17:03:04 点击： 次
摘要
全固态锂电池具有能量密度高、安全性强等优势，是极具前景的新一代储能器件。当前全固态电池需在极高压力下运行，这对紧固结构设计和应力管理提出了挑战。本文首次建立了同时包含固态电池及其紧固结构组件的全三维电化学-机械耦合模型。该模型准确预测了充放电过程中电池电压与应力的变化规律。基于此模型，对尺寸为80×60 mm的全固态电池开展电化学-力学耦合模拟，获得了充电过程中电池与结构件内部应力应变的时空演化规律。进一步探究了端板厚度对应力分布均匀性的影响规律，结果表明充电过程中电池组件内部应力应变显著增加。此外，在高紧固力需求工况下，端板会产生显著变形并导致应力分布高度不均，从而加速电池性能劣化。单纯增加端板厚度无法恢复均匀性，需进一步优化设计。本研究为评估紧固组件设计提供了新思路。
引言
研究表明，施加的预紧力对锂离子电池的性能与安全性具有关键影响。适当的预紧力会引发正极、负极和隔膜的微小形变，使内部组件接触更为紧密，从而降低电阻与极化现象，提升锂离子传输效率。+载流能力可以得到增强，从而提升整体电池性能[1]。另一方面，预加载力也会影响电池寿命。电极极化和阳极锂枝晶生长是容量衰减的直接诱因，而适当的预加载力能在循环过程中维持紧密的界面接触与结构稳定性。这能增强金属锂与固体电解质之间的粘附力，减缓锂耗竭速率，并减少由不均匀沉积导致的"死锂"现象。适当的预紧力能抑制枝晶生长，从而延长锂电池寿命并提升其安全性[2]。尽管全固态锂电池具有更高能量密度和更优异的安全性，但其固有的界面问题仍需解决。因此，这类电池所需的预紧力远高于传统锂离子电池，但其安全性和稳定性问题依然存在[3,4]。
在全固态电池中，高压会改变内部组件之间的界面接触与传质特性[5,6]。适当的堆叠压力可使电池稳定运行超过1000小时，因此是防止全固态电池失效的关键参数。这种通常由外部施加的压力会迫使内部界面形成更紧密的接触。根据具体电池体系的不同，现有研究报道的施加压力范围为2 MPa至250 MPa[7,8]。在全固态电池的循环过程中，阴极活性材料与锂金属阳极的电化学反应会引发电极体积变化，从而损害界面稳定性。电极的反复膨胀与收缩会导致活性颗粒开裂并失效[9]，进而造成全固态电池容量衰减。虽然高机械强度的固体电解质对提升安全性至关重要，但仍无法完全抑制锂枝晶生长或实现均匀的锂沉积。研究表明，即使具有高剪切模量的无机固体电解质也无法完全阻止枝晶穿透。因此，枝晶形成仍然是全固态电池实际应用中的关键障碍，并构成严重的安全风险。氧化物固体电解质的剪切模量超过50 GPa，是金属锂的十倍以上，但锂枝晶仍能刺穿电解质，导致内部短路并引发安全事故[10,11]。目前，全固态电池的力学场表征技术仍不完善，主要局限于全局宏观压力的测量[12]。Ham等人[13]通过实验阐明了施加的制造压力、接触保持时间与金属锂临界电流密度(CCD)之间的关系。其研究结果表明，控制锂变形对提高CCD具有显著影响。此外，他们研究了恒压单元的结构设计，旨在缓解循环过程中体积变化的不利影响，从而实现更高的CCD。然而，最新研究[14]通过实现对全固态电池外部堆叠压力的实时监测，并探究该压力如何影响固体电解质与电极间的界面特性及整体电池稳定性，已取得重要进展。尽管存在这些进展，预紧力研究领域进一步发展的核心障碍仍在于对此类复杂系统内部动态演变机制的认识不足。全固态电池中电化学-力学的耦合作用机理尚未完全阐明，且缺乏有效监测与调控这些现象的工具。
通过利用微分方程的数学近似方法，有限元分析将复杂物理系统分解为有限数量的单元，从而实现对系统整体行为的近似描述。该技术不仅能够高保真度地再现物理现象，更为众多研究领域的预测与优化提供了有力支撑。在锂离子电池研究中，该系统通常被划分为三个尺度：颗粒尺度、电极尺度和单体电池尺度。近年来，能够桥接不同尺度的跨尺度建模与模拟方法引起了研究者的广泛关注，并取得了显著进展[[15], [16], [17]]。在传统锂离子电池中，液态电解质作为离子传输介质，所有电化学反应与传质过程均发生于液相内。因此均质化多孔电极模型能有效捕捉固-液界面接触、结构几何特征及颗粒形貌对电池整体性能的显著影响[18]。鉴于当前全固态电池力学研究的局限性和关键重要性，采用数值建模来模拟电化学-力学多物理场耦合是一种高效可靠的研究方法。Grazioli等人[19]开发了全固态锂离子电池（ASSBs）的一维电化学-力学耦合模型。该模型将离子传输与机械变形相关联，重点分析了机械应力对锂离子电池电化学性能的影响。Grazioli等人[20]进一步建立了叉指电极电池的二维电化学-力学耦合模型，研究了放电过程中形成的非均匀离子浓度分布对二维应力-应变场的影响。Han领导的团队[21]开发了锂金属全固态电池的二维轴对称电化学-力学耦合模型。他们的研究表明，通过增加锂金属阳极的厚度，可有效缓解电解质-阳极界面处锂沉积引发的大体积应变，从而降低充电过程中的扩展应力。Yang等[22]构建了薄膜ASSLBs的二维电化学-机械耦合电池模型，探究了工作温度、放电速率、固体聚合物电解质厚度以及残余应力对ASSLBs放电容量与机械性能的影响。Sun等[23]建立了全固态锂金属电池的二维多物理场耦合模拟模型，将电化学过程与温度场、应力场相耦合，重点分析了离子传输、界面反应与机械变形之间的耦合机制。在上述研究中，机械边界条件通常采用固定一侧边界同时对另一侧施加均匀压力的方式，未考虑夹具结构的影响。
综上所述，现有文献主要依赖一维或二维模拟开展全固态电池的电化学-力学耦合分析，这限制了对三维应力-应变行为的探索。此外，由于力学边界条件均被设定为恒定值，这些研究均未考虑夹持约束结构与电池之间的相互作用。实际上，夹持结构在较大应力作用下会发生形变，导致电池-端板界面处的接触压力呈现非均匀分布。因此，需要建立电池-结构系统的三维耦合模型体系来阐明此类应力-应变关系。
