硅基锂离子电池电极碎裂及表面润湿的跨尺度实验和模拟研究

Due to the high energy density, silicon-based lithium ion batteries (LIB) are among the most promising methods for the energy storage. However, after several lithiation-delithiation cycles, a large volume expansion in the silicon-based anode results in cracking and isolation of the electrode; instability wettability of interface between electrolyte and anode lower the efficiency of charge-discharge. Both two problems become the bottleneck for the further application of silicon to be the anode in LIB and also become the focus of the scientific research and commercialized battery industry. Using in-situ observation technique and multiscale simulation technique including "ab initio simulation-molecular dynamics-phase field dynamics", this project investigates three core problems that are the major concerns in the international research community: (1) Mechanism of diffusion stress induced silicon electrode volume expansion and pulverization; (2) Wettability of the electrolyte on the silicon electrode; (3) Evolution dynamics, the mechanical and electrochemical properties of SEI. This project targets the international scientific frontier and the national great demands for the energy, gives full play to our research team superiority and characteristics, and is supposed to make several significant breakthroughs in the antipulverization of electrode and improving the wettability of the electrolyte.

硅基锂离子电池的高能量密度使其成为最具发展潜力的高能存储手段之一。然而，充放电循环中硅电极体积急剧膨胀，发生碎裂并导致电池失效；电解液润湿性能不稳定将降低电池充放电效率。这两者限制了硅基锂离子电池的产业推广，成为国际学术界和电池产业界共同关注的瓶颈问题。本项目结合采用实时在位的实验观测、"第一性原理-分子动力学-相场动力学"跨尺度模拟及多场耦合理论建模方法，主要研究该领域国际上公认的三个关键学术问题：(1)扩散应力诱导硅电极体积膨胀与碎裂机理，位错、损伤和裂纹的发生与动态演化；(2)电解液在硅电极表面的润湿性能；(3)固体电解质界面SEI的界面演化动力学及其力学电化学性能。本项目结合能源领域的国家重大需求和国际学科前沿问题，立足研究团队的优势与特点，以期在电极碎裂抑制及电极润湿性能提高方面，取得若干突破性的研究成果。

硅基锂离子电池的高能量密度使其成为当前最具发展潜力的高能存储手段之一。然而，由于充放电循环中硅电极体积急剧膨胀，发生碎裂并导致电池失效；电极上电解液的润湿性能的不稳定降低了电池充放电效率。这两者限制了硅基锂离子电池的产业推广，是国际学术界和电池产业界关注的瓶颈问题。.项目组针对硅基电极材料的碎裂机理及抑制、图形电极的润湿性能、固体电解质界面(SEI)的演化动力学等三个关键科学问题，结合实验观测、跨尺度模拟和理论建模方法，建立了耦合锂离子扩散、应力场演化和裂纹扩展的相场模型，揭示了硅电极演化过程中力化学耦合的特点和规律；考虑材料软化和塑性流动等行为的影响，进一步将相场模型推广到有限变形；研究了图形基底上液体润湿和电润湿性能，揭示了电极上静态和动态润湿规律；探索了SEI的演化动力学过程，估算了初始充放电循环中SEI膜厚度。以上成果为锂离子电池的优化设计提供了理论依据和实验指导。.受本项目资助，赵亚溥研究员作为第一获奖人获得了2014年国家自然科学二等奖、2016年中国科学院教育教学成果奖；出版专著两部：(1) 赵亚溥. 近代连续介质力学. 北京: 科学出版社, 2016. (2) 赵亚溥. 纳米与介观力学. 北京: 科学出版社, 2014；授权发明专利两项；发表标注项目资助SCI论文20篇。.以上成果受到了国际著名学者的重点引用，包括：方岱宁院士、美国国家工程院院士Robert M. McMeeking教授、韩国国家科学院与国家工程院双院院士Maenghyo Cho教授、英国皇家学会会员CQ Sun教授、美国西北大学Wing Kam Liu “墨菲教授”，以及美国Stanford大学与Kansas大学、德国TU Darmstadt等世界名校的学者。其中Kansas大学学者对我们的工作进行了大篇幅引用，并用到了“Following the previous work…”等重语气。TU Darmstadt的Dietmar Gross教授也在引用我们的工作时也用到了“追随(Following)…”等强烈的语气。赵亚溥连续四年被Elsevier评为“中国高被引学者”；并于2015年新任中国力学学会微纳米力学工作组组长、物理力学专业委员会副主任；2017年新任《Science China Physics, Mechanics and Astronomy》中英文版副主编，力学唯一。