摘要：针对锂离子电池硅及其复合电极材料,采用Cahn-Hilliard型扩散方程与有限变形理论全耦合的电化学-力模型来描述其在循环锂化过程中的扩散和力学相关性问题,构造高效的数值算法,在商用有限元软件平台上实现对该理论的数值求解.在此基础上,研究了硅电极恒流锂化和脱锂过程,基于界面反应动力学,得到电压响应曲线,计算结果整体趋势与实验结果吻合较好,同时预测的应力响应也与实验结果一致,验证了本方法的有效性.其次,研究了中空碳包覆硅负极锂化过程中的电化学与力学行为,计算结果表明,锂化期间中空碳包覆硅负极应力水平明显低于实心硅负极,随锂化的进行,应力差值越来越大,锂化结束时应力值降低约27%,这种应力的缓解提高了整个电极内化学势水平,使得锂离子浓度水平显著提高,更易达到完全锂化状态.同时,数值研究表明应力水平的缓解延缓了中空碳包覆硅负极的容量衰减(容量提升74%),充分显示出该电极良好的电化学性能.本研究揭示了应力对硅复合电极容量影响的作用机制,为将连续介质电化学-力耦合理论应用于实验预测提供了途径并为电极材料设计提供了理论依据.

关键词：中空碳包覆硅负极 有限元数值计算 循环稳定性 

单位：天津市现代工程力学重点实验室; 天津300072; 天津大学机械学院力学系; 天津300072