枝晶生长致锂电池失效机制的有限元分析开题报告

锂由于其质量轻、能量比大和还原势低的特性而自然成为高性能电池负极体系的首选。最早的锂二次电池是由Gilbert N. Lewis在1912年提出并研究的，它以锂金属作为负极，工作原理与普通干电池一样，通过金属锂失去电子被氧化来产生电能。然而，由于其具有低电流密度、低循环特性、短路和热失控等弊端，特别是伴随锂金属负极的严重枝晶问题，锂金属电池并没有实现真正意义上的商业化应用，并逐渐被锂离子电池^[3]而取代。关于锂离子电池和锂金属电池的失效机制，Aurbach^[2]和Wakihara^[3]等进行了概述。对于锂金属电池，反应产生的锂离子与电子结合在电池的负极表面沉积，这些沉积的锂单质会呈枝晶化增长。一方面，锂枝晶在增长到一定程度时就会脱落形成死锂，造成锂的不可逆损失，加快电池的老化，枝晶中的锂单质还会与电池的电解质发生反应，降低电池的容量，加快电池性能的衰减，反应产生的热量可能还会进一步加快反应，造成电池的热失控，反应产生的气体导致电池膨胀甚至爆炸；另一方面，当枝晶增长到连通电池正负极的时候会导致电池的短路，产生不可预计的安全问题。对于锂离子电池，它以碳或石墨代替了锂金属作为电池的负极，在充放电过程中锂离子在负极上往返嵌入或脱嵌，这就有效避免了锂单质在负极表面的沉积，因此锂离子电池比锂金属电池更适合商业化应用。然而，实验和实际应用也表明，锂离子电池在过充等情况下也会形成枝晶，同时，伴随锂离子循环脱嵌而产生的负极材料应力破坏问题也不容忽视。

锂离子电池虽然由于其出色的安全性能取代了锂金属电池而成为民用市场上锂电池的主流，但是传统的锂离子电池能量密度太低（负极的理论比容量为372mAh/g）,且在目前的技术条件下无法获得较大的提升空间。由于近年来新能源汽车等产业的兴起，人们对于高性能、高储量的锂电池需求越来越迫切，金属锂电池再次进入人们的视野。锂是最轻的金属（密度0.543g/cm³），同时有着极高的理论比容量（3680mAh/g）和最低的还原电势（3.04V），因此以金属锂为负极的锂金属电池是未来锂电池的发展方向。

由于液态锂金属电池的枝晶现象和副反应特别严重，达不到实际应用的要求，许多研究人员便把目光投向了固态电解质锂金属电池^[1],希望通过固态电解质来防止副反应的发生，同时利用固态电解质的力学性能来抑制枝晶生成后的无限制增长。实验证明，固态电解质确实能在一定的程度上减少副反应和抑制枝晶生长，这让人们看到了锂金属电池真正应用的希望。目前的固态电解质主要是聚合物电解质，由聚合物和碱金属盐组成，聚合物主要是聚酯、聚醚或聚胺，它不会像液态电解质一样与锂单质发生剧烈副反应而膨胀甚至爆炸且在一定程度上抑制了枝晶的生长，然而由于它本身力学性能的缺陷，这种电解质仍然存在被枝晶刺穿的危险。相反，无机固态电解质力学性能优越，安全性高，但是它内阻过大、功率密度过低，电化学性能较差。目前尚未发现一种同时具有良好导电性和优良力学性能的固态物电解质。因此，研究枝晶在固态电解质中的生长过程和枝晶生长导致锂电池失效的机制对于寻找更加合适的固态电解质具有重要意义。

影响锂电池中枝晶生长的因素众多，包括电极表面粗糙度、电流密度^[4][6][7]、机械力、电解质成分^[10]、温度效应^[12]和电极材料等。对于温度效应，Yan^[12]等在前人提出的许多数学模型的基础上，将最近开发的非线性相场锂枝晶模型与传热模型集成在一起研究了热效应（主要是环境温度、温度梯度和内部热量）对锂枝晶形状和尺寸的影响，这是首次突破恒定的室温去研究热效应对枝晶生长的影响，但就我们所知，此研究的结果仅包括对不同热效应影响下的枝晶形状的描绘，而没有去研究在不同的热效应影响下枝晶生长致锂电池失效的机制。

随着科技的进步，锂金属电池商业化应用是未来的趋势，因此，解决锂电池枝晶化问题对于促进锂金属电池的应用具有重要意义。本课题拟在前人研究的基础上，建立一个考虑温度和应力变化的多尺度有限元模型考察在此条件下枝晶生长致锂电池失效的机制，为解决锂电池中的枝晶问题提供一些方案。