全新模型揭示温度对石墨负极化学应变的影响机制

温度出现升高的情况，电池负极的那种形变倒反过来变小了，这种呈现出反直觉状态的实验发现，也许能够对我们设计出更具耐用性的锂电池起到推动作用。

温度升高与形变减小

实验数据呈现，于相同充电状态之下，20摄氏度之际石墨电极出现的形变，显著多于40摄氏度之时的测量数值以及60摄氏度之时的测量数值。这意味着，当运用相同电流给电池充电且达成相同表观电量后，高温环境里的电极材料实际上“更为松弛”。这种差别指向一个关键实情：电池内部的真实化学反应进展，深受温度条件的调控。

核心原因致使这一现象出现，在于锂离子有实际嵌入浓度。高温将锂离子活性予以增强，让其在石墨层间扩散呈现出更为迅速以及容易的状况。所以，要达成实验室所设定的相同“表观容量”，在高温的情形下并不需要使同样数量的锂离子往石墨的晶体结构里挤入。离子嵌数量相对较少，因晶格膨胀致使的材料形变自然而然也就更小了。

倍率影响与温度主导

在相同的温度状况之下，研究团队针对不同的充电速率，也就是0.1C、0.2C以及0.4C，展开了关于形变影响的对比工作。最终显现出这样的结果哪，在处于20摄氏度的外界环境里呀，其中改变充电速度的快慢，对于最终所测量得到的电极整体形变大小而言，其产生的影响极为微小。这种情况进一步证实了哪，形变的产生主要是跟得以达成的“容量”直接存在关联呀，而容量的获取主要又是被充电的总量所决定的呀。

这个对照实验突出显示了温度因素具有的那种压倒性的影响力，和充电速率所带来的微小变化相比较而言，温度改变进而引发的形变差异可要来得显著得多，它对工程师起到提醒作用，在评估电池的机械稳定性之际，环境温度以及工作温升属于需要优先予以考虑的核心变量，其重要性说不定还要超出充放电功率的短期波动。

形变与电压曲线的关联

研究人员绘制了，电极平均形变随着电压变化的微分曲线，并且将它，与容量变化的微分曲线进行对比，结果显示，两条曲线，在各个相变阶段（对应不同的电压平台），出现峰值的位置，高度重合，而且峰值的相对强弱，也基本一致，这种同步性，并非巧合 。

在宏观测量方面它予以证明，石墨电极于充放电进程里出现的膨胀以及收缩，跟锂离子在石墨层间分阶段生成不一样化合物（像LiC12、LiC6等）的微观结构变化进程直接对应。每一回电压产生的微小波动，都标志着晶体结构产生了变化，并且马上在宏观的尺寸改变之上体现了出来。

充放电循环中的应变构成

石墨电极于反复使用之际所产生的形变其来源并非单一一种，它主要是由两部分共同构成的。第一部分是活性材料石墨自身所产生的应变，该应变是源于锂离子嵌入以及脱出从而引致的晶格膨胀与收缩，就这部分应变来讲在很大程度上那是可逆的。第二部分却是来自于非活性材料，其中最主要的便是固体电解质界面膜也就是SEI膜的形成以及增长 。

电池首次充电之际，SEI膜于负极表面生成，其形成进程自身便会引发体积变动。更为关键的是，伴随电池循环，SEI膜会持续增厚、破裂以及修复，此过程所产生的形变通常是永久性且不可逆的。恰是这部分积累的塑性应变，最终致使电池整体胀大，寿命缩减。

建立电化学-力学耦合模型

为了对不同应变来源的贡献予以量化，研究者构建起一个数学模型，该模型把锂化过程里的电极总应变，表述成锂离子于复合电极内的“表观偏摩尔体积”针对其摩尔数量的积分，简言之，便是将总的体积改变，视作是每个锂离子所贡献的体积效应的累加之和。

依托这个模型，能够把于去锂化（放电）进程当中测量所得的应变跟表观容量（与锂离子数量成正比例）联系起来。实验数据显示，在放电阶段，这二者近乎成线性关系，这给定量分析提供了简洁的数学依据。

分离与计算各因素贡献

借助上述模型所呈现的线性关系，研究人员开拓了一种用于区分不同应变成分的办法。他们把放电阶段的应变曲线朝着容量为零的方向进行线性外推，该曲线与纵轴的截距，便表征了整个充放电循环所引发的塑性应变。而通过实验直接测定的残余总应变减掉这个塑性应变，二者的差值即为由残余锂离子致使的纯弹性残余应变。

依靠这套分析方法，研究最后能够算出SEI膜的生长针对石墨负极总应变的贡献比例，还能估算出锂离子在SEI膜这种特殊介质里的偏摩尔体积。这些确切数值，给从材料科学方面精准设计负极、抑制有害膨胀提供了关键参数 。

此研究披露了温度借由对真实嵌锂量施予影响进而调控电池形变的新型机制。如此一来，于您的认知里，在将来去设计下一代具备高能量密度以及长寿命特性的电池时，除开把控温度之外，我们是不是更应当从根源之处研制新型负极材质，从而从根本层面解决膨胀难题呢？欢迎于评论区分享您的看法，要是觉得本文存有助益，请点赞予以支持。