上海大学力学与工程科学学院固体力学博士研究生熊洋，在硅电极微观孔隙结构演化机理研究上取得重要进展，并在固体力学顶级学术期刊《Journal of the Mechanics and Physics of Solids》（影响因子：5.3，中科院1区）上发表研究论文：A coupled mechanical-electrochemical phase-field formulation for understanding the evolution of lithiated-silicon sponge。
硅(Si)在锂化-脱锂化过程中不可避免地形成纳米孔穴进而出现电极海绵化的现象，从而影响电池的循环稳定性(图1)。为了探究孔穴演化机制，本文提出了一个基于相场方法的电化学-力学耦合模型，以预测Si电极单空隙和多空隙系统的生长、融合现象。
图1 硅电极中孔隙演变和海绵形成的示意图
为了捕捉锂离子的电池Si电极的空洞演化和界面不稳定现象，该理论结合了锂的扩散、Si空位成核和湮灭的相场描述以及Si弹塑性力学模型。结果表明，空隙形貌对初始缺陷位置非常敏感，并且孔穴存在取向性生长，同时多孔穴系统的生长存在合作和竞争机制(图2)。机械压力不仅能够抑制孔穴生长，并且可避免浅层孔穴生长导致的固体-电解液界面破坏，同时还可阻止多孔穴之间的融合生长现象，从而抑制Si电极海绵化进程。所提出的理论和计算框架为开发先进的锂离子电池预测和评估工具奠定了基础，可加速Si负极技术的工业化发展。
该工作在吕浡副研究员、张俊乾教授以及同济大学赵莹研究员的指导下完成。这项工作得到了国家自然科学基金(12072183、11872236和12172205)和浙江省实验室重点研究项目(2021PE0AC02)的支持。
图2 多孔隙大尺度随机模型中微结构的演化过程
本文作者所在的力学与工程科学学院张俊乾教授领衔的储能电池力学团队，现有教师6人，主持电池相关的国家自然科学基金重点、面上、青年项目数项，并与比亚迪、上海电气、荣耀终端等企业开展广泛合作。在学院党委的领导下，团队主动对接“储能技术研发”这一国家能源战略重大需求，针对储能电池领域的发展瓶颈，充分发挥学科优势从电池问题多学科强交叉的基本特征入手，以高性能长寿命电池为目标，探索以力学分析为核心的锂离子电池研发新途径。（撰稿：赵炎翡）
论文详细信息: Yang Xiong, Bo Lu*, Ying Zhao*, Yicheng Song, Junqian Zhang*. A coupled mechanical-electrochemical phase-field formulation for understanding the evolution of lithiated-silicon sponge, 2023, J. Mech. Phys. Solids 105399.
