一种碳纤维结构电池的界面力与电化学协同失效仿真方法

本技术涉及结构电池仿真，特别涉及一种碳纤维结构电池的界面力与电化学协同失效仿真方法。

背景技术：

1、结构电池是一类兼具结构承载与电化学储能的多功能复合材料，以碳纤维作为活性电极材料，可在系统层面实现显著的质量和体积节约。最新一代碳纤维结构电池通常由碳纤维复合材料正极、固-液双连续相电解质和碳纤维负极构成，碳纤维同时承担机械增强与电化学活性材料的双重功能。在实际应用中，特别是电动汽车领域，结构电池不可避免地会遭遇石子撞击、工具跌落等低速冲击（能量通常在4j-14j量级）。这类冲击可能导致碳纤维电极与电解质界面的脱粘或分层，进而引发力-电化学协同失效——即力学损伤与电化学性能衰减的耦合作用。

2、现有技术中，提供了结构储能一体化复合材料细观尺度多物理场耦合仿真方法，用于评估力-电化学协同失效，其主要通过结构电池在静态充放电过程中的插层应变效应，模拟电池界面因锂离子浓度变化而产生的膨胀/收缩来实现结构电池的界面力与电化学之间的协同失效仿真。

3、然而，在低速冲击荷载的工况下，由于低速冲击引发的惯性效应、应力波传播和局部化应力集中，极易导致碳纤维电极与电解质界面发生脱粘或分层的动态演化过程，而上述现有技术由于仅考虑了模拟结构电池界面在充放电过程中因锂离子浓度变化而产生的膨胀/收缩过程，对于低速冲击工况下的电池界面发生的脱粘或分层的力学演化是如何阻碍电荷转移反应的动态过程，上述现有技术无法进行模拟，导致上述现有技术在低速冲击荷载的动态工况下无法适用。

技术实现思路

1、基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种碳纤维结构电池的界面力与电化学协同失效仿真方法。

2、本发明采用下述技术方案：

3、本发明提供了一种碳纤维结构电池的界面力与电化学协同失效仿真方法，包括：

4、构建碳纤维结构电池的三维几何模型，并在各碳纤维电极与电解质之间构建界面域；对三维几何模型施加模拟低速冲击的动态载荷，并获取所述界面域在受到低速冲击荷载时的界面受力参数；

5、根据界面受力参数，采用基于双线性牵引-分离法则的界面内聚力损伤模型确定用于表征碳纤维结构电池界面损伤程度的损伤变量；其中，所述界面内聚力损伤模型用于描述低速冲击载荷下界面脱粘或分层的演化；

6、根据碳纤维结构电池的损伤变量，确定用于表征碳纤维结构电池界面在低速冲击荷载下所产生拉伸或压缩状态的有效接触面积分数；将所述有效接触面积分数引入butler-volmer电极动力学方程，以构建碳纤维结构电池的界面力与电化学的损伤耦合控制方程；其中，所述损伤变量与所述有效接触面积分数成反比；所述损伤耦合控制方程用于模拟界面脱粘或分层的演化阻碍碳纤维结构电池电荷转移反应的动态过程；

7、对损伤耦合控制方程进行有限元仿真求解，得到低速冲击下碳纤维结构电池的界面力与电化学协同失效的仿真结果。

8、优选地，构建碳纤维结构电池的三维几何模型，并在各碳纤维电极与电解质之间构建界面域，具体包括：

9、获取碳纤维结构电池各部分的特征尺寸参数；

10、基于所述特征尺寸参数，构建包含碳纤维负极、固-液双连续相电解质、隔膜及碳纤维正极的三维几何模型；

11、在所述碳纤维负极与所述固-液双连续相电解质之间，以及在所述碳纤维正极与所述固-液双连续相电解质之间构建界面域。

12、优选地，在所述在各碳纤维电极与电解质之间构建界面域之后，还包括：对所述界面域设置材料参数，具体包括：

13、为碳纤维负极、碳纤维正极赋予基于亥姆霍兹自由能函数的各向异性力-电化学耦合本构关系；其中，所述亥姆霍兹自由能函数由弹性应变能、锂离子混合熵项和锂离子间相互作用能项构成；

14、所述固-液双连续相电解质采用树脂基材料，并被赋予弹性和离子传导属性，以及为隔膜赋予各向同性弹性属性。

15、优选地，界面域在受到低速冲击荷载时的界面受力参数包括：界面牵引力、界面强度、界面刚度张量以及界面分离位移。

16、优选地，根据界面受力参数，采用基于双线性牵引-分离法则的界面内聚力损伤模型确定用于表征碳纤维结构电池界面损伤程度的损伤变量，具体包括：

17、当界面牵引力的法向分量和切向分量与各自对应的界面强度分量的比值之和为1时，则将碳纤维结构电池界面的受力参数确定为碳纤维结构电池界面的损伤起始状态；

18、在碳纤维结构电池界面的损伤起始状态下，通过界面内聚力损伤模型模拟碳纤维结构电池界面在预设冲击荷载下脱粘或分层的萌生与演化过程，并在模拟过程中根据界面分离位移，确定碳纤维结构电池界面的损伤变量。

19、优选地，根据碳纤维结构电池的损伤变量，确定用于表征碳纤维结构电池界面在低速冲击荷载下所产生拉伸或压缩状态的有效接触面积分数，具体包括：

20、在界面处于拉伸状态时，根据所述损伤变量，确定所述有效接触面积分数为1与所述损伤变量的差值；

21、在界面处于压缩状态时，确定所述有效接触面积分数为1与所述损伤变量的差值与预设最小接触分数中的较大值。

22、优选地，将所述有效接触面积分数引入butler-volmer电极动力学方程，以构建碳纤维结构电池的界面力与电化学的损伤耦合控制方程，具体包括：

23、将所述有效接触面积分数作为修正因子引入butler-volmer电极动力学方程，得到碳纤维结构电池界面的力、电化学和损伤的耦合控制方程，表达式为：

24、；

25、式中，为界面锂离子通量，为交换电流密度，为法拉第常数，为过电势项，

、为电荷转移系数；有效接触面积分数与损伤变量的关系为，当界面完全损伤时，表示电荷转移反应终止；

26、其中，butler-volmer电极动力学方程的过电势项中还引入了力学贡献项，用于描述碳纤维结构电池界面在低速冲击荷载下锂离子的嵌入或脱出所产生的浓度梯度应力反作用于界面损伤的演化，表达式为：

27、；

28、式中，为电极电势，为电解质电势，为平衡电势，为锂离子的偏摩尔体积，为静水应力，为力学贡献项。

29、优选地，对损伤耦合控制方程进行有限元仿真求解，具体包括：

30、对碳纤维结构电池三维几何模型设置低速冲击动态载荷边界条件，所述边界条件包括冲击物的质量、初始速度和几何形状；

31、设置冲击物与碳纤维结构电池表面的接触对，并在碳纤维结构电池两侧施加固定约束；

32、考虑碳纤维结构电池界面在低速冲击动态载荷情况下受到的惯性效应、应力波传播和应变率效应，采用显式动力学分析对损伤耦合控制方程进行有限元求解，输出低速冲击下碳纤维结构电池的界面力与电化学协同失效的仿真结果。

33、优选地，低速冲击下碳纤维结构电池界面力与电化学协同失效的仿真结果包括：低速冲击过程中碳纤维结构电池界面的损伤演化云图、冲击后电流密度分布图、电位变化曲线和锂离子浓度分布图。

34、本发明提供了一种碳纤维结构电池的界面力与电化学协同失效仿真装置，包括：

35、三维模型搭建模块，用于构建碳纤维结构电池的三维几何模型，并在各碳纤维电极与电解质之间构建界面域；对三维几何模型施加模拟低速冲击的动态载荷，并获取所述界面域在受到低速冲击荷载时的界面受力参数；

36、界面演化模拟模块，用于根据界面受力参数，采用基于双线性牵引-分离法则的界面内聚力损伤模型确定用于表征碳纤维结构电池界面损伤程度的损伤变量；其中，所述界面内聚力损伤模型用于描述低速冲击载荷下界面脱粘或分层的演化；

37、耦合方程构建模块，用于根据碳纤维结构电池的损伤变量，确定用于表征碳纤维结构电池界面在低速冲击荷载下所产生拉伸或压缩状态的有效接触面积分数；将所述有效接触面积分数引入butler-volmer电极动力学方程，以构建碳纤维结构电池的界面力与电化学的损伤耦合控制方程；其中，所述损伤变量与所述有效接触面积分数成反比；所述损伤耦合控制方程用于模拟界面脱粘或分层的演化阻碍碳纤维结构电池电荷转移反应的动态过程；

38、界面评估仿真模块，用于对损伤耦合控制方程进行有限元仿真求解，得到低速冲击下碳纤维结构电池的界面力与电化学协同失效的仿真结果。

39、本发明提供了一种计算机可读存储介质，存储介质存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时实现上述一种碳纤维结构电池的界面力与电化学协同失效仿真方法。

40、本发明提供了一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现上述一种碳纤维结构电池的界面力与电化学协同失效仿真方法。

41、本发明采用的上述至少一个技术方案能够达到以下有益效果：

42、当低速冲击荷载导致碳纤维电极与固-液双连续相电解质界面发生脱粘或分层时，碳纤维电极表面与电解质之间的固液物理接触被破坏，脱粘或分层区域不再具备电荷转移能力，本发明创新地将损伤变量通过有效接触面积分数形式引入butler-volmer电极动力学方程以构建损伤耦合控制方程，基于损伤耦合控制方程，随着作用于电池界面的低速冲击荷载的逐渐增大，界面损伤变量增大，有效接触面积分数相应减小，使得脱粘或分层区域面积变大，脱粘或分层区域面积变大导致实际参与界面电荷转移反应的活性位点变少，从而阻碍了电池界面的电荷转移反应，通过损伤耦合控制方程描述的上述演化过程，显示表征了低速冲击工况下的电池界面发生的脱粘或分层的演化阻碍电荷转移反应的动态过程，实现了界面力学损伤的演化过程与电化学性能的衰减过程的有效耦合。