2.2 应力/快速温升下电池电极位错/应力电极/空洞耦合能量转换技术

电池材料的本质是能量转换，人们分析认为应力/温升与微结构有关，由于微尺度应力迁移，且应力分布不均匀，裂纹与应力电极、应力迁移有关，如图2-5所示。微裂纹在应力循环过程中随微区应力迁移和位错攀移运动而改变，其变化特点和尺度取决于微结构应力电极与应力迁移的耦合作用。在微尺度层面，微区温度电极和应力电极是耦合的，例如：温升引起电极材料微结构体积膨胀又产生应力电极，从而导致变形，并引起应力迁移与界面偏聚。无论是远距离续驶所需的高能量，还是重载所需的高功率，均会导致非平衡状态瞬间大电流/快速温升，大电流/快速温升是电池性能监测时重点考虑的因素，快速温升产生微区温度电极与应力电极，大电流推动微尺度位错攀移运动，使得位错云体积增大，并与应力电极耦合诱发空洞成核。这些缺陷演化扩展后将加速电池性能能量转换，导致电池材料失效耦合。电池电极材料问题的复杂性给建立微尺度实验模型带来新的挑战和发展机遇。

有学者在电极材料模型中应用工程热力学第二定律，考虑了位错运动的影响，确定了温度电极，为分析平衡状态下微尺度耦合行为提供了帮助。该工作模拟了位错聚集形成空洞演化过程，伴随位错的滑移和攀移，空洞形状不断改变，如图2-6所示。动态空洞在材料薄弱点成核，空洞形成局部释放了材料内部弹性应变能，周围材料进行变形以适应空洞不断长大，邻近纳米尺度空洞相互作用贯通形成更大尺度微米尺度空洞。微尺度空洞会导致应力电极、应力集中，伴随损伤局部化与簇集，然后造成微裂纹生长与扩展。当位错密度和尺度达到一定临界值时，材料内部形成断裂。

位错/应力/空洞耦合效应导致应力面应力迁移、应力诱生空洞等复杂演化，包括位错攀移、应力界面位错结构及非平衡状态快速温升下微区应力集中等复杂过程。在建立位错/应力电极/应力迁移模型时，未考虑定量表征非平衡状态应力/快速温升对电极材料微结构及位错攀移运动的影响，降低了能量转换机制中微尺度表征的准确性与可靠性。我们建立了应力/快速温升条件下电池电极材料位错/应力/空洞耦合模型，并开发了位错/应力/空洞耦合行为的分析技术，用于指导电极材料微结构设计与制备，提高电动车辆复杂工况下的安全性与耐久性。