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锂离子电池延迟断裂的近场动力学模型

延迟断裂、扩散力场耦合、近场动力学、锂离子电池

锂离子电池在使用过程中会出现各种类型的失效现象，有一部分是由于嵌锂和脱锂过程中产生的扩散诱导应力导致的。我们通常采用数值仿真来研究扩散应力的分布。有限元方法在模拟断裂时存在不连续处产生应力奇异性且需要采用内聚单元来预设断裂面等问题，而近场动力学适用于模拟材料自发断裂过程。因此本文将扩散-变形-断裂理论应用到近场动力学模型中，推导了应力分布和锂离子浓度分布的近场动力学关系式，模拟了单侧裂纹电极和双侧裂纹电极在受到化学-机械载荷作用下，由于锂离子扩散，材料脆化和裂纹扩展共同导致的延迟开裂现象。结果表明：(1)、在断裂前，随着扩散时间的增加，锂离子浓度不断增加；由于裂纹尖端的应力集中，导致裂纹尖端前锂离子的浓度远远高于边界处的锂离子浓度。(2)、延迟断裂是一个“等待-断裂”不断重复的动态过程，在等待过程中，由于裂纹尖端应力集中，锂离子浓度不断增加，降低了材料的断裂韧性；当断裂韧性低于能量释放率时，裂纹快速扩展。由于新的表面锂离子浓度较低，因此材料的断裂韧性增加，裂纹扩展停止。该工作为使用近场动力学方法研究多种因素耦合作用下锂离子电池的延迟断裂情况奠定了基础。