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枝晶生長和裂紋擴展是全固態鋰金屬電池（ASSB）大規模商業化道路上的兩大障礙。由于潛在的枝晶生長機制的高度多物理場耦合特性，理解它一直很困難。目前可用的建模工作并不是完全以電化學-機械耦合方式構建的，而且該模型無法描述電池級行為，因此無法為電池設計和評估提供見解。

在此，美國北卡羅來納大學夏洛特分校許駿等人通過考慮電池模型、力學模型、相場模型和短路模型首次建立了電化學-機械模型，該模型從電池層面基于物理學的角度直接耦合枝晶生長和裂紋擴展。

結果表明，過電位驅動的應力推動裂紋穿透固體電解質，為枝晶生長創造空位，導致電池短路。因此，電解質的高鋰化/充電速率和低電導率會加速電池的電化學失效。

圖1. 建立模型的示意圖，包括幾何形狀、邊界條件和缺陷區域

作者進一步發現電解質的楊氏模量對斷裂和枝晶生長具有競爭性貢獻；具體而言，當楊氏模量為40~100 GPa時，短路會提前觸發。此外，較大的韌性值會阻礙裂紋擴展并減緩鋰枝晶的生長。

本研究開發的多物理場模型提供了對ASSB 內裂紋擴展和枝晶生長耦合的深入理解，并為穩健和安全的 ASSB 電池提供了有見地的機械設計指導。

圖2. 楊氏模量的影響

Unlocking the Electrochemical-Mechanical Coupling Behaviors of Dendrite Growth and Crack Propagation in All-Solid-State Batteries. Advanced Energy Materials 2021. DOI: 10.1002/aenm.202101807

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許駿AEM: 揭示全固態電池中枝晶生長和裂紋擴展的電化學-機械耦合行為

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