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 硅基、錫基等電極材料由于其高的電容量密度成為鋰離子電池的理想電極材料。但力學(xué)上這一類材料在充放電過程中往往伴隨著大的體積變形，導(dǎo)致高的應(yīng)力狀態(tài)，并引發(fā)電極結(jié)構(gòu)的斷裂破壞等問題，嚴(yán)重影響到鋰離子電池的使用壽命。

　　為了合理地設(shè)計(jì)電極結(jié)構(gòu)，規(guī)避結(jié)構(gòu)可能產(chǎn)生的力學(xué)破壞問題，需要建立電極材料在充放電過程中的力-電-化學(xué)耦合本構(gòu)關(guān)系。通常的做法是通過原位的測(cè)量實(shí)驗(yàn)及Stoney公式獲得的電極材料充放電過程中的應(yīng)力演化。然而該方法必須依賴于薄膜的厚度遠(yuǎn)小于基底的厚度、薄膜的厚度變化在變形過程可以忽略不計(jì)、薄膜與基底之間粘接良好等三個(gè)假設(shè)，時(shí)間高性能電池通常難以滿足這些條件。

　　為了解決這個(gè)問題，中國科學(xué)院力學(xué)研究所非線性力學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的科研團(tuán)隊(duì)基于力-電-化學(xué)耦合理論，發(fā)展了一套有限元計(jì)算方法，可準(zhǔn)確刻畫電極材料在充放電過程中的彈塑性大變形及內(nèi)在的應(yīng)力演化。并采用該方法進(jìn)行有限元模擬，闡述了由電極薄膜的彈塑性大變形引起的Stoney公式的誤差分析，電極薄膜的大變形、彈塑性本構(gòu)關(guān)系和界面材料性質(zhì)對(duì)應(yīng)力-充放電狀態(tài)曲線的影響，以及電極材料參數(shù)與應(yīng)力-充放電狀態(tài)曲線特征之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。該工作為研究電極材料在充放電過程中的力-電-化學(xué)耦合本構(gòu)關(guān)系提供了幫助。

　　相關(guān)的研究成果已發(fā)表于國際期刊Journal of power sources（Wen,J.,Wei,Y.,Cheng,Y.T.,2018.Examining the validity of Stoney-equation for in-situ stress measurements in thin film electrodes using a large-deformation finite-element procedure. J.Power Sources,387,126-134.）和Journal of the Mechanics and Physics of Solids(Wen,J.,Wei,Y.,Cheng,Y.T.,2018.Stress evolution in elastic-plastic electrodes during electrochemical processes: A numerical method and its applications.J.Mech.Phys.Solids,116,403-415.)。該研究獲得了國家自然科學(xué)基金委、中科院B類先導(dǎo)項(xiàng)目以及美國國家科學(xué)基金的支持。

　　圖：典型層狀電池結(jié)構(gòu)及其變形。(a)電極薄膜-粘接劑-基底結(jié)構(gòu)；(b)數(shù)值模型與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的對(duì)照，展示充放電過程時(shí)電極膜中的應(yīng)力變化；(c)電極材料的彈塑性與界面破壞情況下的薄膜內(nèi)部剪切應(yīng)力分布圖。