万事平台力學與工程科學學院固體力學博士研究生熊洋，在矽電極微觀孔隙結構演化機理研究上取得重要進展🧉，並在固體力學頂級學術期刊《Journal of the Mechanics and Physics of Solids》（影響因子👨🏻‍🎓：5.3☂️🫴🏻，中科院1區）上發表研究論文：A coupled mechanical-electrochemical phase-field formulation for understanding the evolution of lithiated-silicon sponge💔。

矽(Si)在鋰化-脫鋰化過程中不可避免地形成納米孔穴進而出現電極海綿化的現象，從而影響電池的循環穩定性(圖1)🫵🏽。為了探究孔穴演化機製，本文提出了一個基於相場方法的電化學-力學耦合模型，以預測Si電極單空隙和多空隙系統的生長、融合現象。

圖1 矽電極中孔隙演變和海綿形成的示意圖

為了捕捉鋰離子的電池Si電極的空洞演化和界面不穩定現象，該理論結合了鋰的擴散✖️𓀂、Si空位成核和湮滅的相場描述以及Si彈塑性力學模型。結果表明，空隙形貌對初始缺陷位置非常敏感，並且孔穴存在取向性生長🦸，同時多孔穴系統的生長存在合作和競爭機製(圖2)。機械壓力不僅能夠抑製孔穴生長，並且可避免淺層孔穴生長導致的固體-電解液界面破壞🫄🏿，同時還可阻止多孔穴之間的融合生長現象，從而抑製Si電極海綿化進程🏯。所提出的理論和計算框架為開發先進的鋰離子電池預測和評估工具奠定了基礎📫🗾，可加速Si負極技術的工業化發展🚶🏻‍➡️🧜🏼‍♂️。

該工作在呂浡副研究員🧚🏽、張俊乾教授以及同濟大學趙瑩研究員的指導下完成。這項工作得到了國家自然科學基金(12072183、11872236和12172205)和浙江省實驗室重點研究項目(2021PE0AC02)的支持🔡。

圖2 多孔隙大尺度隨機模型中微結構的演化過程

本文作者所在的力學與工程科學學院張俊乾教授領銜的儲能電池力學團隊，現有教師6人💻，主持電池相關的國家自然科學基金重點、面上🚯、青年項目數項，並與比亞迪🏊🏻‍♀️、上海電氣🌱、榮耀終端等企業開展廣泛合作🔖。在學院黨委的領導下🫛，團隊主動對接“儲能技術研發”這一國家能源戰略重大需求，針對儲能電池領域的發展瓶頸🤜🏼，充分發揮學科優勢從電池問題多學科強交叉的基本特征入手，以高性能長壽命電池為目標👂🏿，探索以力學分析為核心的鋰離子電池研發新途徑。（撰稿：趙炎翡）

論文詳細信息:YangXiong, Bo Lu*,YingZhao*, 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.