NMC材料憑借著其高容量和低成本等優(yōu)勢，被廣泛的應用在電動工具等領域，近年來隨著電動汽車的快速發(fā)展，NMC材料鋰離子電池被廣泛的應用在動力電池領域。因此NMC材料也吸引了廣大研究工作者關注，在之前的文章中我們也介紹了三元材料NMC表面形貌對其電化學性能和循環(huán)穩(wěn)定性有著至關重要的影響。

在充放電循環(huán)過程中，由于NMC材料內部的相變和Li含量的變化，會引起晶體的膨脹，在顆粒內部產(chǎn)生應力，更為嚴重的是由于在電極上、大顆粒內部電流分布不均，導致不同局部的SOC狀態(tài)存在著較大的差異，這導致不同顆粒之間的應力狀態(tài)不同，導致了顆粒之間的鏈接斷裂和顆粒表面裂紋的產(chǎn)生。

這些裂紋的存在會促使NMC內部的過渡金屬元素溶解，電解液被氧化，正極界面膜的產(chǎn)生和生長，過渡金屬元素在負極表面析出會破壞負極表面的SEI膜，從而導致NMC材料在循環(huán)過程中容量衰降和電壓衰降。

從上述分析顆粒看出NMC材料在充放電過程中的應力狀態(tài)和變化特點都對NMC長期循環(huán)穩(wěn)定性有著重要的影響。近日美國印第安納大學與普度大學印第安納波里斯聯(lián)合分校的LinminWu等人利用三維有限元分析了NMC在充放電過程中應力的產(chǎn)生過程和變化特性。

研究發(fā)現(xiàn)，在充放電過程中，顆粒凹陷和凸出部分所承受的應力最大，由于應力的作用，顆粒的連接處可能發(fā)生斷裂，從而產(chǎn)生與導電網(wǎng)絡絕緣的顆粒，導致容量損失。而連接斷裂但是沒有與導電網(wǎng)絡絕緣的顆粒，更容易在顆粒的表面產(chǎn)生裂紋。在長期的循環(huán)中，由于顆粒內部的相變的累積，也會造成材料顆粒的應力逐漸增加，影響材料的長期循環(huán)穩(wěn)定性。

首先LinminWu利用同步加速X-ray重建了NMC半電池的結構，然后引入了大量的數(shù)學公式用以描述電化學反應和應力產(chǎn)生，然后利用該模型研究了在不同的倍率下NMC材料的化學反應和應力產(chǎn)生。由于篇幅所限，建模過程我們就不詳述了，僅對重要的部分做簡單的描述。

電池建模過程主要分為兩個部分，電化學建模和機械建模。電池的電化學模型主要用來描述電池的動力學特性、物質和電荷傳輸，電化學建模過程主要是基于Doyle和Fuller等人的工作進行，分別對正極顆粒、電解液和界面進行了數(shù)學模擬。機械建模主要對NMC顆粒進行了模擬，主要分析了顆粒的應力和形變。最后對模型的邊界條件和材料的特性進行了設定。

模擬結果顯示，在放電的過程中隨著Li+嵌入到NMC材料中，NMC顆粒的應力逐漸增大，在完全的放電態(tài)下應力達到最大，然后應力開始下降，這主要是由于在完全放電狀態(tài)時，材料會從層狀結果向尖晶石結構進行轉變，從而導致顆粒的應力變化。并且這一最大應力會隨著放電電流密度的增加而增大，例如在2C的倍率下，最大應力為271.52MPa，這大約是1C倍率下最大應力的2倍，0.5C倍率下的4倍。

而應力一旦達到材料的屈服強度，就會導致材料結構破壞，造成失效，由于缺少NMC的屈服強度數(shù)據(jù)，因此以LiCoO2的屈服強度為參考，LiCoO2的屈服強度約為200MPa，因此這也就是說在2C的倍率下完全放電會導致NMC材料顆粒發(fā)生失效。

為了進一步研究NMC的失效模式，對NMC材料的應力分布進行了研究，發(fā)現(xiàn)：1)與導電網(wǎng)絡絕緣的顆粒將不會產(chǎn)生應力;2)顆粒的凹陷處和凸出處是應力最為集中的地方，要遠高于其他地方;3)不考慮應力集中的地方，顆粒表面的應力要明顯高于顆粒內部的應力。由于顆粒的凹陷處和凸出處應力最為集中，因此會導致顆粒的連接處發(fā)生斷裂，從而造成顆粒與導電網(wǎng)絡發(fā)生絕緣，發(fā)生容量損失。

該項研究主要得出了以下結論：

1)隨著放電倍率的增加，放電電壓會下降，這主要是電池阻抗增加的結果；

2)在放電過程中由于顆粒連接處斷裂會造成顆粒與導電網(wǎng)絡絕緣造成容量損失，而那些雖然顆粒連接處斷裂，但是仍然與導電網(wǎng)絡接觸的顆粒，則更容易在顆粒的表面形成裂紋；

3)隨著放電的進行，顆粒的應力逐漸增加，在完全放電時達到最大，但是隨后由于相變的發(fā)生導致應力下降。隨著放電倍率的增加，最大應力也在增加；

4)NMC顆粒的凹陷處和凸出處的應力最為集中，應力最大。顆粒表面的應力要高于顆粒內部的應力；

5)最大應力更容易出現(xiàn)在凹陷處，研究顯示凹陷處的最大應力為凸出處最大應力的四倍。