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锂离子电池硅负极断裂的相场法模拟
Phase-Field Modeling of Fracture in Silicon Anodes of Lithium-Ion Batteries
| 作者 | |
| 期刊 | 电源学报 |
| 出版日期 | 2025年11月 |
| 卷/期 | 第 2025 卷 第 7 期 |
| 技术分类 | 储能系统技术 |
| 技术标签 | 多物理场耦合 有限元仿真 电池管理系统BMS 热仿真 |
| 相关度评分 | ★★★★ 4.0 / 5.0 |
| 关键词 |
版本:
本文采用相场断裂方法模拟硅负极充放电过程中的裂纹演化，揭示了颗粒尺寸（100nm/400nm）对开裂位置、时序及能量释放率敏感性的规律，为锂电材料机械失效建模提供理论支撑。
相场断裂方法通过定义序参量来表示裂纹,利用系统最小能量变分原理得到描述裂纹发展的控制方程.通过对控制方程的推导,建立了相场理论的框架,包括基于能量原理建立相场断裂损伤演化方程和边界条件.对含缺口平板进行了拉伸和剪切模拟,断裂路径和支反力均与文献结果吻合.利用相场方法模拟了锂离子电池不同直径硅负极充电时的裂纹扩展问题,结果表明:较大直径(400 nm)硅颗粒在充电时由于表面受到较大拉应力,很快发生开裂并向内部扩展,且断裂能量释放率对裂纹扩展影响较大,能量释放率较小时,起裂点较多,裂纹密度较大;小直径(100nm)硅颗粒在充电时内部发生断裂,且其断裂时间要早于大尺寸硅颗粒.
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SunView 深度解读
该研究直接关联阳光电源PowerTitan与ST系列储能系统中高能量密度硅基负极电池的循环寿命与安全性。硅负极膨胀破裂是导致BMS误判SOC/SOH及热失控风险上升的关键机理。建议将相场仿真结果嵌入iSolarCloud平台的电池健康诊断模型，优化PCS（如ST2500LV）的充电策略（如分段恒流限压），抑制大颗粒硅负极早期开裂；同时指导下一代PowerStack模块选用核壳结构或纳米复合硅碳材料。