​Carbon Energy：从根本上理解氧化亚硅/石墨复合负极的异质物理行为

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​Carbon Energy：从根本上理解氧化亚硅/石墨复合负极的异质物理行为
氧化亚硅（SiO）（硅与二氧化硅的混合物）/石墨（Gr）复合材料是下一代高能量密度锂离子电池（LIB）最具商业前景的负极材料之一。
SiO/Gr复合负极的主要瓶颈在于两种异质材料在锂化/脱锂过程中因应力/应变行为不匹配而导致的差循环性。迄今为止，对此类材料的高度非线性耦合行为仍缺乏细致的定量了解。
​Carbon Energy：从根本上理解氧化亚硅/石墨复合负极的异质物理行为
图1 SiO/Gr的SEM及模型示意
北卡罗来纳州立大学Jun Xu等建立了一个严格的基于物理学的多物理场模型，以研究异质SiO/Gr复合结构引起的不均匀行为。
在该模型中，电化学场和机械场完全耦合，为设计用于高能量密度LIB的SiO/Gr复合负极的电化学行为提供了机理上的理解。作者将模拟结果与半电池电压行为和全电池循环计算的厚度变化的实验数据进行了比较，从而验证了所提出的多物理场模型。
此外，这项工作系统地讨论了基本电化学行为，包括电压曲线、SOC演变和分布以及电解质中的极化，分析了应力和变形演变、相应的分布以及应力梯度驱动的通量。然后作者根据参数化结果讨论了SiO重量百分比（wt%）和机械约束对上述行为的影响。
​Carbon Energy：从根本上理解氧化亚硅/石墨复合负极的异质物理行为
图2 在电化学方面，锂化过程中SiO/Gr复合负极的典型结果
研究显示，应力梯度驱动的扩散主要影响SiO/Gr复合负极中的SiO颗粒和SiO-Gr接触面积。随着SiO重量百分比的增加，负极可直接提供的理论容量也会增加，但活性材料的利用效率会降低，极化也会增加。
此外，较大的SiO重量百分比会导致较大的整体变形和更严重的应力驱动通量，从而阻碍锂化过程，并导致SiO和Gr的SOC较小。施加在负极表面的机械约束会导致SiO和Gr颗粒中的SOC较大，从而导致电池电压相对较小。然而，与无约束的负极相比，有约束的负极中存储的实际容量有所减少。这是因为机械约束引起了更大的应力驱动通量，从而延缓了锂化。
另一方面，施加约束会降低Von Mises应力，从而推迟机械失效的发生。该研究结果突出了一个完全耦合的建模框架，用于描述SiO/Gr复合负极的异质行为。有了对这些行为的基本了解，该研究为SiO/Gr复合材料的制造和工程设计提供了指导。
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图3 在机械方面，锂化过程中SiO/Gr复合负极的典型结果
Toward a fundamental understanding of the heterogeneous multiphysics behaviors of silicon monoxide/graphite composite anodes. Carbon Energy 2023. DOI: 10.1002/cey2.385

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