关于锂离子电池电极机械性能裂化问题研究

锂离子电池极片的机械稳定性也是影响电池电化学性能、循环稳定性和安全性等的重要因素。

而电池中极片机械性能存在各种裂化现象，常见的机械性能裂化如上图综述所示，包括：

（1）正、负极电极材料颗粒裂纹；

（2）活性物质颗粒内部晶间破碎；

（3）正极表层分层失效；

（4）负极表面SEI破裂；

（5）正极活性物质相分离；

（6）锂金属等负极表面枝晶。

裂纹

电池在实际的使用过程中，活性颗粒常常经历许多的不可逆的物理化学和机械过程，比如局部过度充放电，表面结构崩塌，不均匀电极/电解液界面，金属溶解/沉淀，体积膨胀/收缩，局部温度波动等。这些副反应之间的相互用途会导致活性颗粒内部机械或热应力、电化学应力的累积，并进一步可诱发裂缝的出现。这种裂纹重要在应力集中以及颗粒薄弱点出现，比如颗粒表面，SEI膜，晶界等。

特别像硅基负极，在充电/放电周期内插入和脱出锂时，体积变化达到270%，这个巨大的体积膨胀会导致硅颗粒的粉碎，以及涂层从铜集流体中分离。特别是，SEI膜会发生持续的断裂再生成过程，不断消耗锂离子和活性物质，造成容量持续衰减，循环稳定性变差。

而颗粒内部出现的裂缝会导致颗粒之间接触变差，颗粒完整性破坏，电子和离子传输路径都会发生变化，导致扩散受限。结果表明，电子和离子在固相的扩散长度伴随着裂缝的出现而增大。这又会进一步影响电化学反应，可能造成充放电局部不均匀，引起颗粒的二次裂纹。

表面结构变化与相分离

充放电过程中，电化学反应在电极表面发生，锂离子从表面脱出或嵌入，多次循环之后活性颗粒表面会出现了十分显著的相变，锂离子脱出后可能伴随金属溶出，材料层状结构会变成盐岩相结构，并且这种相结构演变向颗粒内部扩展，形成内部相分离。

枝晶

在锂离子电池的充电过程中，负极电位不断变负，在一定条件下会引起金属锂在负极表面沉积的副反应。金属锂持续存在负极的表面，不仅会影响锂离子电池的容量，还有可能会出现危害锂离子电池安全的锂枝晶。金属锂做负极时，枝晶更加严重，负极保护防止锂枝晶成为金属锂离子电池的研究热点。