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摘 要

本文对全固态电池的构造和工作原理进行简要介绍，总结了当前研究范围内固态电解质的材料和分类。以全固态电池的机械性能为主切入点，分析影响全固态电池界面应力和电池稳定性的主要因素。电池稳定性与电池在不同的运行工况下其内部的反应状态有关。利用COMSOL软件建立模型，通过参数化扫描功能，探究不同的放电倍率、电流大小、温度及电解质锂离子扩散系数对电池性能的影响。

在一定范围内提高放电倍率和放电电流，对提高电池容量和循环性能有促进作用。放电倍率和电流大小对全固态电池的运行状况影响具有相似性。因为改变放电倍率和电流大小，本质上是改变了电流密度，即探究不同的电流密度作用下电池的运行情况。随着放电倍率和电流大小的不断增加，即电流密度逐渐增大，电池电势下降剧烈，到达对应平台电压所需时间减少。

温度对电池整体运行影响较小，因全固态电池在较广的温度范围内仍能良好运行。随着温度的增加，电池的电解质锂离子浓度、正极固体锂浓度和电解质电位均呈现相同趋势的降低。电化学反应速度和离子传递速度均与温度成正相关，故改变温度参数未出现较大差异。过高的温度可能使电池内部发生锂枝晶生成和析出，使电池内部结构遭到细微破坏。

提高电解质锂离子扩散系数对全固态电池的稳定运行有一定的效果，但具有局限性。在较低的锂离子扩散系数下，固态电解质中锂离子的传递速度较小，浓差极化的产生可能导致电解质界面晶体析出甚至发生界面裂纹，界面电阻急剧增大。当锂离子扩散系数取到一定值时，反应物质的浓度变化微小，此时锂离子扩散系数已经不是影响电池内部反应的主导因素。

电池界面应力主要与界面电阻和接触性能有关。电池充放电过程中电极和固态电解质不均匀的体积变化造成界面处应力不均，可能会加剧锂枝晶析出从而破坏界面结构。目前添加中间层和元素掺杂改性是两种比较切实可行的方法。通过改善电极和固态电解质界面处的润湿条件，亦可实现固态电解质与锂金属电极之间的界面电阻最小化，以此提高电池的循环寿命。

关键词：全固态电池 稳定性 应力 界面问题 建模仿真

Study on interfacial stress cycling and stability of all-solid-state batteries

ABSTRACT

The constitution and principle of all-solid-state batteries are briefly explained in this dissertation, and the materials and classification of solid electrolytes in the current research are summarized as well. Taking the mechanism of all-solid-state batteries as an entry point, the main factors that affect the interface stress and battery stability of all-solid-state batteries are analyzed. The stability of how it works is relevant to the intrinsic reaction of the battery under different operating conditions. Using COMSOL software to establish a model, through the parameterized scanning function, the impact of different discharge rates, current sizes, temperatures and electrolyte lithium ion diffusion coefficients on battery performance are explored. Augmenting the discharge rate and current within a certain range to improve the battery capacity and the cycle performance is considered to be available; the temperature has little effect on the overall operation of the battery, for the all-solid-state battery can still operate well in a wide temperature range; enhancing the electrolyte lithium ion diffusion coefficient has a definite impact on steady operation of the all-solid battery but with limitations. The interface resistance and contacting performance are identified as two primary aspects for the battery interface stress. The uneven volume change of the electrode and solid electrolyte during battery charging and discharging causes uneven stress at the interface, which may exacerbate lithium dendrite precipitation and destroy the interface structure. To date, adding an interlayer and element doping modification are two more practical methods. The development prospects of all-solid-state batteries are bright, and the research on their mechanical properties is worth further and exploration.

Key Words: All-solid-state batteries; Stability; Stress; Interface issues; Modeling and simulation

目录

摘要............................................................................................................................................... I

ABSTRACT...............................................................................................................................Ⅱ

第一章 绪论 1

1.1 全固态电池概述 1

1.2 固态电解质种类 2

1.3 固态电解质的机械性能 3

1.4 课题研究意义和目的 4

第二章 COMSOL建模理论基础及软件介绍 5

2.1 基于COMSOL Multiphysics 分析全固态电池多物理场建模 5

2.2 COMSOL电池模块功能与使用场景 6

2.2.1 电池性能和设计 7

2.2.2 研究电池容量衰减和老化 7

2.2.3 电池热管理 7

2.2.4 电池滥用 7

2.3 本章小结 8

第三章 基于COMSOL建立全固态电池模型 9

3.1 锂离子电池接口理论 9

3.2 平衡电极 12

3.3 嵌入粒子中的应力和应变 12

3.4 COMSOL建模 14

3.5 本章小结 20

第四章 基于COMSOL Multiphysics建模全固态电池稳定性及界面问题探究 21

4.1 放电倍率对电池性能的影响 21

4.2 电流大小对电池性能的影响 25

4.3 温度对电池性能的影响 28

4.4 电解质锂离子扩散系数对电池性能的影响 31

4.5 界面问题 35

4.6 本章小结 36

第五章 总结 38

参考文献 40

致谢 43

第一章 绪论

1.1 全固态电池概述

全固态电池，即所有结构均采用固体材料加工的电池，以其安全高效的储能水平在先进储能领域受到密切关注。其中，全固态锂离子电池的应用最为广泛，被认为是下一代储能应用最有希望的候选者。与传统有机液态电池相比，无机全固态锂离子电池具有如下优点^[1]：①不易燃易爆，具有优良的安全性能；②与液态电解质相比，固态电解质不易挥发，对生态环境更为友好；③使用过程中无液体泄漏的情况，避免造成电解液侵蚀和漏出；④不必封装液体，节约生产成本；⑤高达5V的电池窗口，与高电压电极材料配合使用能有效增强能量利用率^[2]。因此，全固态电池在电池运行状况中对工作环境更有利，契合生态友好型社会的发展理念。

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