一种储能电池材料衰变和应力分布测试方法与系统

本发明涉及电池，尤其是涉及一种储能电池材料衰变和应力分布测试方法与系统。

背景技术：

1、储能电池（如锂离子电池、全固态电池等）在充放电循环过程中，电极材料因锂离子的反复嵌入与脱出而发生不可逆的结构衰变，同时产生复杂的内部应力分布。材料衰变主要表现为固体电解质界面膜（sei）的形成与增厚、活性颗粒的晶间裂纹、正极材料的相变以及负极析锂等；而应力分布则源于活性颗粒的体积膨胀/收缩及其与周围介质的机械约束。这两者相互耦合：材料衰变会改变局部力学性能，应力集中又会加速衰变进程。因此，准确测试储能电池全生命周期内的材料衰变特征和应力分布，对于理解电池失效机制、优化电极结构以及评估电池健康状态具有重要意义。

2、目前，针对储能电池材料衰变和应力分布的测试技术有在线或植入式传感方法，如植入光纤布拉格光栅（fbg）传感器、压力传感器或应变片等。这些传感器可置于电池内部或表面，实时监测温度、压力和应变信号。然而，现有植入传感技术普遍面临以下挑战：传感器与电池体系的兼容性差（如低阻隔、高稳定、长寿命要求难以兼顾）；传感器植入后对电池电化学性能产生显著影响。单一传感方式难以同时获取材料衰变（化学成分、晶体结构）与应力应变的耦合信息；此外，光纤传感器输出的光学信号与材料微观衰变特征之间的定量关系尚不明确，缺乏验证手段。

3、综上，亟需开发一种储能电池材料衰变和应力分布测试方法。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种储能电池材料衰变和应力分布测试方法与系统，能够实现对电池全生命周期内材料衰变特征和应力应变分布的协同测试，为电池寿命预测和安全评估提供技术支撑。

2、为实现上述目的，本发明提供了一种储能电池材料衰变和应力分布测试方法，包括以下步骤：

3、s1、构建包含活性颗粒、固体电解质、锂金属负极的二维平面几何模型，在活性颗粒与固体电解质之间的固-固界面以及初级颗粒之间的晶界处嵌入内聚区单元；

4、s2、耦合求解锂离子扩散方程、线弹性力学方程和内聚区损伤演化方程，通过各向异性晶格应变计算扩散诱导应力，并通过间隙-传输函数将界面脱粘导致的锂离子通量衰减反向耦合到浓度场；

5、s3、设置外部工作压力、内部孔隙率、预设开孔裂纹长度、活性颗粒与固体电解质的杨氏模量比和泊松比作为可变参数；

6、s4、执行恒流充放电循环模拟，输出第一主应力分布、脱粘间隙、损伤变量和容量衰减曲线；

7、s5、通过比较不同可变参数组合下的界面脱粘起始时间、晶间裂纹面积和循环后残余应力，评估各可变参数对电化学-机械协同失效的影响程度。

8、优选的，步骤s1中的二维平面几何模型基于真实聚焦离子束扫描电镜图像进行边界识别后构建，具体为：

9、基于真实聚焦离子束扫描电镜对活性颗粒进行连续切片成像，获取初级颗粒的边界轮廓；

10、利用图像识别技术提取初级颗粒的形态参数；

11、采用voronoi算法生成包含若干个初级颗粒的多晶聚集颗粒模型，并赋予每个初级颗粒随机的晶体取向角，用于模拟各向异性的锂扩散和晶格应变行为。

12、优选的，步骤s1中将活性颗粒与固体电解质之间的间隙设置为初始为零的接触界面，内聚区单元采用三角形牵引-分离软化法则，其本构参数包括：初始刚度、内聚强度、固定有断裂能释放率，内聚区单元的损伤演化过程为：

13、弹性阶段，刚度线性增加直至达到内聚强度阈值；

14、损伤起始阶段，采用最大应力准确判定；

15、损伤扩展阶段，刚度线性退化至零，内聚区单元完全失效。

16、优选的，步骤s2中的锂离子扩散方程采用修正的菲克第二定律，考虑应力梯度对化学势的贡献：

17、；

18、其中，为锂离子浓度，为时间，为锂离子扩散系数，由于活性颗粒晶体的各向异性，沿a轴和c轴分别设置不同值，每个初级颗粒的局部扩散系数通过晶体取向角旋转得到，为锂离子的偏摩尔体积，为理想气体常数，为绝对温度，为静水压力；

19、线弹性力学方程表示为：

20、；

21、其中，为应力张量，为各向同性弹性刚度张量，为总应变，为锂嵌入/脱出诱导的非弹性应变；

22、内聚区损伤演化方程的损伤变量定义为：

23、；

24、其中，为当前分离位移，为损伤起始位移，为完全失效位移。

25、优选的，步骤s2中各向异性晶格应变通过x射线衍射实验数据输入，沿初级颗粒a轴和c轴的晶格应变不同，锂嵌入/脱出引起的体积应变与归一化锂浓度呈非线性关系，通过x射线衍射实验测量活性颗粒材料在不同荷电状态下的晶格常数：

26、对于每个初级颗粒，根据其晶体取向角，将晶体坐标系下的应变转换到全局坐标系：

27、；

28、其中，为锂嵌入/脱出引起的各向异性非弹性应变，为晶体坐标系到全局坐标系的旋转矩阵分量，为晶体坐标系到全局坐标系的旋转矩阵另一分量，为晶体局部坐标系下的晶格应变张量；再通过线弹性力学方程计算扩散诱导应力，且与浓度梯度耦合；

29、定义间隙-传输函数，将界面脱粘对锂离子传输的阻碍作用反馈到浓度场，局部锂离子通量修正为：

30、；

31、其中，为完好界面处的锂离子通量，为局部脱粘间隙，为参考间隙，为经验衰减系数。

32、优选的，步骤s3中各个可变参数的取值范围为：

33、外部工作压力范围0mpa～200mpa；内部孔隙率范围0%～15%；预设开孔裂纹长度与活性颗粒半径之比范围0～0.5；活性颗粒的杨氏模量范围90gpa～130gpa；固体电解质的杨氏模量范围20gpa～80gpa；活性颗粒的泊松比范围0.2～0.4。

34、优选的，步骤s4中恒流充放电循环模拟的充放电倍率为0.5c～4c，充电截止电压为4.25v，放电截止电压为3.6v，模拟温度恒定为293.15k，每圈循环的时间长度根据倍率归一化设定。

35、优选的，步骤s5中评估各可变参数对电化学-机械协同失效的影响程度，具体为：

36、采用单参数扫描法，固定其他可变参数，改变目标可变参数，记录界面脱粘起始循环次数、晶间裂纹面积百分比、循环后残余第一主应力；

37、计算局部灵敏度系数，对于可变参数，灵敏度系数定义为：

38、；

39、其中，为基准参数下的输出值，为基准参数值，为参数改变后输出值的变化量，为参数改变量；当时，认为该参数为敏感参数；

40、比较不同参数的灵敏度系数绝对值，绝对值大的参数为对协同失效的影响程度大。

41、优选的，还包括：

42、采用相场损伤模型与内聚区模型联合模拟裂纹扩展，将弹性应变能作为裂纹扩展的驱动力，引入相场变量用于表示材料从完好到完全开裂的连续过渡，相场演化方程与应力场、浓度场双向耦合，用于模拟当内聚区单元完全失效后裂纹在颗粒内部的进一步扩展。

43、本发明还提供了一种储能电池材料衰变和应力分布测试系统，包括：

44、模型构建模块，用于构建包含活性颗粒、固体电解质、锂金属负极的二维平面几何模型，在活性颗粒与固体电解质之间的固-固界面以及初级颗粒之间的晶界处嵌入内聚区单元；

45、耦合求解模块，用于耦合求解锂离子扩散方程、线弹性力学方程和内聚区损伤演化方程，通过各向异性晶格应变计算扩散诱导应力，界面脱粘导致的锂通量衰减通过间隙-传输函数反向耦合到浓度场；

46、裂纹扩展模块，用于采用相场损伤模型与内聚区模型联合模拟裂纹扩展，将弹性应变能作为裂纹扩展的驱动力，引入相场变量以表示材料从完好到完全开裂的连续过渡，相场演化方程与应力场、浓度场双向耦合，用于模拟当内聚单元完全失效后裂纹在颗粒内部的进一步扩展；

47、参数设置模块，用于设置外部工作压力、内部孔隙率、预设开孔裂纹长度、活性颗粒与固体电解质的杨氏模量比和泊松比作为可变参数；

48、循环模拟模块，用于执行恒流充放电循环模拟，输出第一主应力分布、脱粘间隙、损伤变量和容量衰减曲线；

49、参数评估模块，用于通过比较不同参数组合下的界面脱粘起始时间、晶间裂纹面积和循环后残余应力，评估各参数对电化学-机械协同失效的影响程度。

50、因此，本发明采用上述一种储能电池材料衰变和应力分布测试方法与系统，具有以下有益效果：

51、（1）实现界面脱粘与晶间裂纹的协同模拟，克服了现有技术仅关注单一失效模式的局限，通过内聚区模型与浓度场、应力场的双向耦合，真实再现了“界面脱粘→浓度极化→晶间裂纹→加速失效”的正反馈演化过程；

52、（2）能够系统研究内部孔隙率、开孔裂纹长度等初始缺陷对复合正极力学响应和电化学性能的双重影响，为材料制备工艺优化提供量化依据；

53、（3）通过单参数扫描和局部灵敏度系数计算，定量评估活性颗粒与固体电解质之间杨氏模量匹配度及泊松比对界面完整性的影响，为材料选型提供设计准则；

54、（4）采用二维平面模型替代三维全耦合模型，在保证捕捉空间浓度梯度和应力分布特征的前提下，显著降低计算成本，便于进行多参数批量扫描优化。

55、下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。