近日，应电化学能源领域权威期刊《电化学能源评论》（Electrochemical Energy Reviews，影响因子28.5）的邀请，十大菠菜导航网机械与动力工程学院、先进电池系统与安全重点实验室栾伟玲教授课题组，与国家级高层次领军人才、讲席教授陈浩峰合作，发表了题为“锂离子电池多尺度机械失效及其对性能寿命和安全性的影响”的研究综述。该研究系统性地总结了锂离子电池在不同尺度上的机械失效行为及其对性能、寿命和安全性的影响，为理解和应对电池机械失效机制提供了创新思路和全新视角。
在锂电池研究领域，机械失效的复杂性来源于多物理场耦合和跨尺度效应。研究团队首次构建了一个统一的分析框架，全面覆盖粒子级（如锂离子扩散引起的应力集中与相变）、电极级（如涂层开裂与剥离）以及电池整体级（如机械应力诱发的内部短路与热失控）的失效机制，揭示了各失效模式之间的交互与演化规律。通过整合材料科学、力学与电化学领域的最新研究成果，团队提出了基于多物理场的机械失效建模方法，特别是在电化学-力耦合作用下，对活性颗粒在锂离子嵌入和析出过程中的应力分布及材料损伤进行了深入分析。
研究结果进一步提出了基于表面改性与结构优化的解决方案，为提升电池寿命、性能与安全性提供了实践路径。例如，通过优化颗粒级应力分布与材料设计，能够显著减缓因机械失效导致的性能退化；针对机械失效引发的内部短路和热失控，研究团队提出了多层级防护策略，涵盖颗粒尺寸优化、界面粘结强化与电极结构改良，为下一代高能量密度锂电池的设计提供了科学依据。该研究不仅为锂电池的基础研究提供了重要指导，同时为工程应用与技术开发提供了坚实支撑。
本论文的第一作者为十大菠菜导航网机械与动力工程学院博士研究生吴森明和讲师陈莹博士，通讯作者为栾伟玲教授和陈浩峰教授。涂善东院士作为共同作者，为跨学科研究的整合和方向规划提供了重要支持与指导。研究工作得到了国家自然科学基金和中国博士后科学基金等的资助。
研究团队表示，该综述为多学科研究者搭建了沟通桥梁，并指出未来需要进一步探索机械失效与其他物理化学效应的深度耦合，特别是在真实工况下的多场耦合行为。通过加强实验与数值模拟的结合，结合人工智能技术，有望在能量存储系统的性能提升与安全保障方面取得更大突破。
原文链接：https://doi.org/10.1007/s41918-024-00233-w