電動(dòng)汽車(chē)的發(fā)展對(duì)鋰電池的容量、充放電速率和使用壽命提出了更高的要求。鋰離子在嵌入和脫出電極材料的過(guò)程中不可避免地產(chǎn)生應(yīng)力,尤其是電極內(nèi)發(fā)生相變時(shí),產(chǎn)生嚴(yán)重晶格畸變,甚至導(dǎo)致塑性變形和裂紋的產(chǎn)生。很多理論工作致力于計(jì)算電極內(nèi)應(yīng)力的大小,提出避免電極破壞的方案。然而,目前研究應(yīng)力與鋰化動(dòng)力學(xué)相互作用機(jī)制的工作還比較欠缺。本文主要研究相變電極中的應(yīng)力演變以及應(yīng)力對(duì)鋰離子擴(kuò)散、輸出電勢(shì)、電極容量和相界面遷移的影響。具體工作歸納如下:本文發(fā)展了復(fù)雜形狀電極中相變、塑性、應(yīng)力與擴(kuò)散耦合演化的相場(chǎng)模型。在相場(chǎng)模型中引入一個(gè)靜態(tài)序參量來(lái)表征電極顆粒的形狀,通過(guò)Cahn-Hilliard方程模擬顆粒內(nèi)部的相變過(guò)程,J2流動(dòng)律描述塑性流動(dòng),相場(chǎng)微彈性理論求解相變電極內(nèi)應(yīng)力的分布和演化過(guò)程。將該相場(chǎng)模型應(yīng)用于兩相鋰化過(guò)程模擬,重復(fù)出前人預(yù)測(cè)的納米線電極表面切向壓應(yīng)力轉(zhuǎn)變?yōu)槔瓚?yīng)力的過(guò)程,進(jìn)一步闡明了復(fù)雜形狀電極中曲率越大的表面越容易出現(xiàn)這種應(yīng)力狀態(tài)的轉(zhuǎn)變。本文發(fā)展考慮應(yīng)力的反應(yīng)相場(chǎng)模型來(lái)研究在電極發(fā)生塑性變形時(shí)應(yīng)力對(duì)電勢(shì)和容量的影響。根據(jù)應(yīng)力耦合的廣義Butler-Volmer方程,模擬出電極放電曲線。單相鋰... 

【文章來(lái)源】：中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)安徽省 211工程院校 985工程院校

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【學(xué)位級(jí)別】：博士

【部分圖文】：

圖１．２電動(dòng)汽車(chē)對(duì)鋰電池綜合性能指標(biāo)要求圖??與傳統(tǒng)燃油汽車(chē)相比，電動(dòng)汽車(chē)存在“里程焦慮”的問(wèn)題，解決這個(gè)問(wèn)題的??

提高電子和離子傳導(dǎo)能力，增加充放電的庫(kù)倫效率Ｗ。并且，負(fù)極材料要??具有較低的電極電位，正極材料需要具有較高的電極電位，以滿(mǎn)足鋰離子電池能??輸出較高電壓的要求［２２］。圖１．３中列舉出目前廣泛研究的鋰電池正極和負(fù)極材料??及其工作電壓和容量ｍ，從中可以發(fā)現(xiàn)高容量的電極材料普遍是相變電極材料，??本論文主要關(guān)注相變材料的力學(xué)行為，介紹如下。??３??

含量的增加，硅的晶體結(jié)構(gòu)逐漸被破壞形成非晶態(tài)的合金［２３］。晶體硅中各個(gè)晶??向的擴(kuò)散系數(shù)差別大，呈現(xiàn)各向異性鋰化的特征，不同晶向的硅納米線電極在鋰??化后形狀變得非常復(fù)雜，如圖１．４（ａ）－（ｃ）所示［２４１。需要注意的是，硅電極在電化??學(xué)循環(huán)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生劇烈的體積膨脹和收縮，導(dǎo)致硅電極產(chǎn)生裂紋，如圖１．４（ｄ）??所示［２５］。新暴露出的表面上會(huì)形成新的表面固體電解質(zhì)層（ＳＥＩ），進(jìn)而引起鋰離??子的不可逆消耗［１３］。??石墨是一種具有層狀結(jié)構(gòu)的電極材料，層間可嵌入鋰離子形成ＬｉＣｘ層間化??合物，會(huì)發(fā)生可逆相變［２６］。鋰離子并不是隨機(jī)分散在各個(gè)層片之間，而是每隔??幾層占據(jù)一層，呈現(xiàn)周期性分布，鋰離子在不同層的分布特征使得石墨的光學(xué)性??質(zhì)出現(xiàn)很大差異，在光學(xué)顯微鏡下原位觀測(cè)到石墨鋰化過(guò)程中形成的“臺(tái)階狀”??形貌，如圖１．４（ｅ）所示［２７］。目前認(rèn)為這種臺(tái)階結(jié)構(gòu)形成與層間鋰離子的長(zhǎng)程靜電??相互作用及層間的彈性相互作用有關(guān)［２８］。??ｉｎｕｍＭ??Ｉ?——??圖１．４不同負(fù)極材料的相變和力學(xué)行為：（ａ）－（ｃ）掃描電子顯微鏡觀察到的不同晶向的硅納米??線電極鋰化后形貌［２４］。（ｄ）硅電極顆粒鋰化過(guò)程中形成裂紋［２５］

【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
[1]鋰離子電池電極材料的斷裂現(xiàn)象及其研究進(jìn)展[J]. 張俊乾,呂浡,宋亦誠(chéng).  力學(xué)季刊. 2017(01)
[2]Analysis of delamination in thin film electrodes under galvanostatic and potentiostatic operations with Li-ion diffusion from edge[J]. Bo Lu,Yi-Cheng Song,Zhan-Sheng Guo,Jun-Qian Zhang.  Acta Mechanica Sinica. 2013(03)
[3]Nanostructured LiMn2O4 and their composites as high-performance cathodes for lithium-ion batteries[J]. Hui Xia,Zhentao Luo,Jianping Xie.  Progress in Natural Science:Materials International. 2012(06)



本文編號(hào)：3290599