【研究背景】

含硅材料作為目前前景最好的高容量負(fù)極材料之一而備受關(guān)注。近年來，大量的研究集中在解決含硅材料在充放電過程中出現(xiàn)的巨大的體積變化導(dǎo)致的機(jī)械失效進(jìn)而引發(fā)的循環(huán)壽命差等棘手問題，主要包括一些新硅基材料的研發(fā)，例如硅/碳復(fù)合材料，氧化亞硅等。然而，實(shí)驗(yàn)性研究往往只能從材料形態(tài)表征以及宏觀性能輸出方面進(jìn)行評估，由于多材料體系造成的局部非均質(zhì)行為很難通過實(shí)驗(yàn)進(jìn)行觀測。因此，數(shù)值模擬成為研究此類多材料多物理場耦合行為的有效途徑?；谖覀冎暗墓ぷ?，此次研究考慮了細(xì)節(jié)的顆粒幾何以及電化學(xué)與力學(xué)的耦合，能夠較為準(zhǔn)確地描述氧化亞硅/石墨混合負(fù)極材料在單次充電下的非均質(zhì)行為，為此類高容量負(fù)極材料的進(jìn)一步開發(fā)設(shè)計(jì)提供了建設(shè)性指導(dǎo)。

【工作介紹】

近日，美國北卡萊羅納大學(xué)夏洛特分校許駿課題組等人利用多物理場耦合的細(xì)致模型驗(yàn)證分析了氧化亞硅/石墨混合負(fù)極材料在單次電化學(xué)充電過程中的非均質(zhì)行為，并考量了氧化亞硅含量、氧化亞硅分布、氧化亞硅尺寸以及充電倍率四個(gè)因素對于電極性能的影響。研究發(fā)現(xiàn)了提高氧化亞硅含量的同時(shí)需要考慮其分布，氧化亞硅分布于隔膜附近，且具有小尺寸時(shí)，是有利于提高電極循環(huán)性能的。該研究首次提出了能夠考慮兩種材料體系下電化學(xué)循環(huán)以及力學(xué)大變形耦合的有限元模型，提供了高效的計(jì)算工具。該文章發(fā)表在領(lǐng)域內(nèi)高水平期刊Advanced Energy Material上。Dr. Xiang Gao為本文第一作者。

【內(nèi)容表述】

為了研究在充電過程中，由于氧化亞硅膨脹以及氧化亞硅與石墨電位不同帶來的嵌鋰不同步而導(dǎo)致的非均質(zhì)行為，采用了一種電化學(xué)-力學(xué)耦合的細(xì)致化模型。該模型能夠有效彌補(bǔ)高先進(jìn)實(shí)驗(yàn)手段(例如原位測量)缺失所導(dǎo)致的研究瓶頸。其在理論上實(shí)現(xiàn)了電化學(xué)行為(包括界面反應(yīng)以及顆粒嵌鋰)以及力學(xué)行為(包括應(yīng)力應(yīng)變)的耦合，并考慮了實(shí)際的電極幾何組成(包括顆粒以及粘接劑域)，可以更準(zhǔn)確地捕捉并描述局部行為。且該模型可以通過靈活調(diào)整目標(biāo)參數(shù)(例如顆粒尺寸，顆粒分布，材料配比等)而實(shí)現(xiàn)高效的參數(shù)化分析，達(dá)到指導(dǎo)設(shè)計(jì)的目的。

1. 二維多場耦合細(xì)致化模型的建立

通過代表性單胞建立了包含顆粒幾何的細(xì)致化模型，將電化學(xué)場與力學(xué)場進(jìn)行耦合，并與基礎(chǔ)工況的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了對比校核，得倒了校準(zhǔn)的基礎(chǔ)模型，并用于后續(xù)的參數(shù)化研究中。

圖 1 (a)氧化亞硅/石墨復(fù)合負(fù)極以及(b)代表性單胞的多場模型的建立，及(c)其耦合策略

圖2 模型驗(yàn)證

2. 氧化亞硅含量的影響

通過人為調(diào)整氧化亞硅以及石墨的摻比，研究了同樣工況下(1C充電)的電極行為，發(fā)現(xiàn)增加氧化亞硅含量，并不會線性地增加電極的極化以及析鋰行為，綜合來看，8%左右的氧化硅含量是比較接近最優(yōu)值。同時(shí)，由于變形導(dǎo)致的應(yīng)力梯度驅(qū)動的嵌鋰會阻礙鋰離子在顆粒中的擴(kuò)散，主要體現(xiàn)在前期的氧化亞硅顆粒，后期的石墨顆粒，以及二者的接觸區(qū)域。氧化亞硅含量高的電極受應(yīng)力梯度驅(qū)動的嵌鋰影響較大。

圖3 不同氧化亞硅含量電極的電化學(xué)行為

3. 氧化亞硅分布的影響

同樣在1C的充電工況下，研究了氧化亞硅分布在集流體附近和隔膜附近的不同行為，發(fā)現(xiàn)氧化亞硅分布在隔膜附近可以顯著降低極化效應(yīng)，進(jìn)而減少析鋰。另一方面，從機(jī)械行為上看，將氧化亞硅分布在隔膜附近一定程度上會加劇電極的膨脹，進(jìn)而導(dǎo)致機(jī)械失效的可能性增加，因此，電化學(xué)性能和力學(xué)性能在該方面需要考慮一定的平衡。

圖4 不同氧化亞硅分布情況的力學(xué)行為

4. 氧化亞硅尺寸的影響

基于該模型，我們研究了三種不同尺寸的氧化亞硅顆粒對于電極行為的影響。研究發(fā)現(xiàn)小尺寸的氧化亞硅顆粒主要保證了其本身嵌鋰的更加充，進(jìn)而影響了其周圍石墨顆粒的嵌鋰狀態(tài)，但是對于整體的極化影響不大。小尺寸的氧化亞硅還保證了較低的析鋰量。降低氧化亞硅的尺寸可以降低電極的膨脹，但是對于應(yīng)力梯度驅(qū)動的嵌鋰行為影響并不大。

圖5 不同氧化亞硅尺寸的電極的電化學(xué)行為

【結(jié)論】

本文提出了一種多場耦合的細(xì)致化模型，能夠準(zhǔn)確描述多材料體系(例如氧化亞硅/石墨復(fù)合材料負(fù)極)在電化學(xué)循環(huán)下的非均質(zhì)行為，為電池高能量密度含硅負(fù)極的進(jìn)一步開發(fā)和設(shè)計(jì)提供了高效的計(jì)算工具。通過對氧化亞硅/石墨負(fù)極材料中氧化亞硅含量、氧化亞硅分布以及氧化亞硅尺寸等參數(shù)的研究，發(fā)現(xiàn)氧化亞硅的最優(yōu)含量在8-10%(1C恒流充電情況下)，且分布氧化亞硅在隔膜附近并保證顆粒與粘接劑的有效粘合，同時(shí)一定程度地降低氧化亞硅的尺寸有助于提高其循環(huán)性能。

審核編輯：湯梓紅