金属氧化物涂层抑制高电压LiTFSI基电池铝集流体腐蚀的研究

本文通过建立机械-热-电化学（MTE）耦合模型，系统研究了4695型大圆柱锂离子电池（LIBs）在快充过程中的多物理场耦合机制。研究结合外部位移测量和CT成像技术，揭示了电极卷绕方向上的温度/应力梯度与锂枝晶沉积（lithium plating）的关联性，提出极耳设计、充电电流和局部应力分布是影响锂沉积风险的关键因素，为高安全性电池结构设计提供了理论依据。

　　

Highlight

本研究开发了一种创新的机械-热-电化学（MTE）耦合建模方法，用于解析4695电池在快充过程中的多物理场特性。通过结合外部电压/温度/应变测量与内部CT变形分析的双重验证手段，首次实现了对电极卷绕方向上锂沉积风险的量化评估。

Model validation

图1展示了电池外壳周向电压、表面温度和应变的演变过程。模型设定所有表面传热系数为20 W/(m²?K)，环境温度25°C（具体参数见附表）。结果显示三种不同工况下的模拟电压曲线与实测数据高度吻合，验证了MTE模型的可靠性。

Methods

基于亿纬锂能生产的硅-石墨/Ni₉₀Co₅Mn₅（NCM811）体系4695电池（额定容量32Ah，电压窗口2.8-4.25V），我们开发了包含卷绕结构机械模型、非对称几何热模型和并行伪二维（P2D）电化学单元的多物理场耦合平台。

Conclusion

研究表明：1）极耳覆盖区域因电流集中效应呈现更高的锂沉积风险；2）不均匀应力分布会导致电极孔隙率降低，加剧局部极化；3）温度梯度与机械应力的协同作用可能造成锂沉积风险的误判。该成果为动力电池的结构优化和安全管理提供了新视角。