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劍橋Norman Fleck教授Joule: 鋰離子電池正極材料的力學(xué)性能研究

正極顆粒斷裂等機(jī)械化學(xué)降解過程嚴(yán)重限制了先進(jìn)鋰離子電池（LIBs）的使用壽命，開發(fā)具有出色抗降解性能的LIB正極引起了廣泛關(guān)注。為幫助緩解電池性能下降，有必要了解正極力學(xué)性能與其伴隨的電化學(xué)性能下降之間的關(guān)系。

為此，英國劍橋大學(xué)Norman A. Fleck教授等人從文獻(xiàn)中總結(jié)了LIB正極材料力學(xué)性能的測量及在其測定中使用的實(shí)驗(yàn)方法范圍。作者首先介紹了LIB的結(jié)構(gòu)、正極材料分類（橄欖石晶體結(jié)構(gòu)/聚陰離子氧化物、層狀氧化物、尖晶石氧化物）及化學(xué)機(jī)械降解，比較了伴隨充放電過程中三種正極活性材料原子結(jié)構(gòu)的尺寸變化。

其中，導(dǎo)致充電容量損失、增加電池電阻和限制電池壽命的化學(xué)機(jī)械現(xiàn)象包括：

（1）鈍化層在與電解液接觸的電極顆粒表面上的生長；

（2）鈍化層或電解液使活性物質(zhì)流失；

（3）活性材料顆粒內(nèi)裂紋的生長，進(jìn)而促進(jìn)上述（1）和（2）過程。接下來，作者參考傳統(tǒng)的電惰性固體的行為，針對壓痕硬度、楊氏模量和斷裂強(qiáng)度對晶粒尺寸、孔隙率、充電狀態(tài)和充放電過程的敏感性進(jìn)行了批判性綜述和討論。

圖1. 正極材料斷裂強(qiáng)度的測定方法及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

正極顆粒破裂可能是由于鋰占據(jù)不均勻?qū)е碌拿總€顆粒內(nèi)的不均勻膨脹引起的，這是通過快速充電促進(jìn)并產(chǎn)生所謂的“電化學(xué)沖擊”。此外，斷裂也可能由不同晶格取向的相鄰晶粒的各向異性應(yīng)變引起。

作者總結(jié)了限制正極材料機(jī)械降解的策略如下：

（1）降低充電/放電循環(huán)中的膨脹應(yīng)變水平；

（2）改變二次顆粒內(nèi)的正極成分，可以是作為具有不同表面層的“核殼”粒子結(jié)構(gòu)，也可以是從粒子核心到外部的平滑成分變化；

（3）減小多晶二次顆粒中的一次粒徑以限制缺陷大??；

（4）消除正極顆粒晶粒之間的彈性限制；

（5）使用單晶顆粒結(jié)構(gòu)來消除由于各向異性晶粒的不同應(yīng)變而在多晶中形成的不匹配應(yīng)力；

（6）減小鋰離子擴(kuò)散的長度尺度，如減小二次顆粒的尺寸等。

圖2. 充放電循環(huán)對模量、硬度和斷裂強(qiáng)度的影響

Mechanical properties of cathode materials for lithium-ion batteries, Joule 2022. DOI: 10.1016/j.joule.2022.04.001

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