2018年5月17日，清华大学汽车安全与节能国家重点实验室第212期学术沙龙在清华大学汽研所301举行。本期沙龙邀请到美国密歇根大学吕炜（WEI LU）教授做了题为“Electrochemical-Mechanical Modeling and Degradation Analysis of Li-ion Batteries”的学术报告。

锂离子电池衰减是一种多尺度、多物理的问题，吕教授从锂离子电池中力学-电化学模型、锂枝晶生长和SEI膜形成过程仿真以及衰减模型和寿命优化三个方面介绍了其团队在锂离子电池衰减领域的研究。吕教授首先介绍了锂离子电池中力学现象对电池性能的影响。电极的力学失效现象在锂离子电池中很常见，电极的失效会造成电接触损失和SEI膜的生长，且新型高能材料需要更多锂离子的嵌入，因此力学稳定性变得更加重要。目前多使用单微粒模型（Single-Particle Model）来研究锂离子电池中的力学失效现象，分为微观颗粒尺度的失效和宏观电极尺度的失效，其原理是锂离子的浓度变化引起单粒子中产生应力，应力的作用也会对电化学特性造成影响，因此需要同时考虑力学与电化学特性。吕教授说，在电化学建模方面，可将传统的准二维数学模型（Pseudo-2D model）增加一个维度，在微粒尺度用化学势代替浓度来描述扩散。吕教授比较了直接微粒仿真（Direct Particle Simulation）和多尺度建模（Multi-scale Modeling），后者的计算时长（40分钟）要远小于前者（9小时）。接下来，吕教授介绍了他在锂离子电池枝晶形成与SEI膜生长方面的研究，枝晶会造成内部短路，降低库伦效率，而枝晶形成与SEI膜生长是相互影响的，吕教授团队建立了枝晶生长与SEI膜形成的耦合模型，在不考虑SEI耦合影响的情况下，其表面凸起的形状会更圆更短，从而不会插入枝晶。实际上，枝晶生长分为两阶段，可由枝晶高度和生长率表征，在第一阶段，尖端区（tip area）的SEI厚度迅速下降，当枝晶尖端区的SEI膜厚度足够低的时候，SEI膜厚度的增加与减薄相抵消，达到局部平衡，这是第二阶段。在缺陷区域SEI膜覆盖率很低，此区域的含锂率就高，会导致形成锂枝晶，表面平整、一致的SEI膜和低SEI电阻值可以减少枝晶的形成。最后，吕教授介绍了其团队在锂电池衰减方面的研究。电池的衰减原因主要是在负极发生的副反应，包括在石墨和电解液之间形成连续的SEI膜、石墨中锂离子的沉积以及在高充电率和低温下锂金属析出，此三者导致循环锂损失，衰减分为加速、稳定和饱和三个阶段，反应初期由于SEI的生长需要消耗大量锂，故衰减迅速。该模型对电池能量密度、功率密度和电池健康度优化具有指导意义。

吕炜教授本科毕业于清华大学力学系， 2001年获得Princeton大学博士学位，同年起在密歇根大学机械工程系任教，目前为密歇根大学机械工程系教授，先进动力电池研究中心（ABCD）主任。吕教授通过多尺度、多物理建模和实验方法解决了很多在能源、纳米力学和先进制造领域的挑战，例如锂离子电池系统中的机械电化学过程、自组织纳米结构及其应用，以及纳米/微米尺度结构的形态演变和特性。吕教授已经在国际一流期刊上发表论文130多篇，在国际会议和包括Harvard, MIT and Stanford等国家实验室在内的科研机构做过100余场学术报告，获得Robert M. Caddell Memorial Research Achievement Award，美国国家科学基金会的the CAREER award，美国机械工程师协会的Robert J. McGrattan Award等多个奖项。

本次学术沙龙活动由汽车系欧阳明高院士主持，吸引了近120名师生前来参加。在座的老师及同学对吕炜教授的报告非常感兴趣，在互动环节提出了若干问题与吕教授交流，包括力学失效时负载的选择、多尺度仿真结果得到的一致性及耦合模型中多尺度的类型选择等。吕老师对这些问题一一做了解答，并给出了详细补充说明。