本文關鍵詞：鋰離子電池電極中擴散誘導位錯及鋰化行為的機理研究，，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：鋰離子電池的充放電循環(huán)過程本質上是鋰離子運輸、電化學反應和固體力學等多體系交叉的復雜問題,影響因素眾多,同時也給研究者們帶來了諸多新的反應機理和一些難以克服的挑戰(zhàn)。為了使得鋰離子電池具有更長的循環(huán)使用壽命以及對電極粒子進行優(yōu)化設計,本論文對鋰離子電池電極中擴散誘導位錯和鋰化行為的機理進行了較為系統(tǒng)的研究。本論文的主要研究工作和成果如下:(1)研究了在不同的鋰離子擴散能力條件下位錯的產(chǎn)生與作用機制。詳細地分析了擴散誘導應力場和彈性應變能以及位錯對其的影響。結果表明,擴散誘導應力引起位錯的產(chǎn)生,反過來位錯又會部分地緩解擴散誘導拉伸徑向應力;并且,在電極表面附近,位錯將拉伸徑向應力轉變成壓縮徑向應力。在數(shù)值小的電化學畢渥數(shù)條件下,位錯緩解擴散誘導應力的程度則更加明顯;同時,位錯應變能對總應變能的影響也更大。柱狀電極的半徑越小,位錯緩解擴散誘導應力的程度越大。合理地對鋰離子擴散能力、電化學畢渥數(shù)以及位錯密度的調控,以防止電極發(fā)生斷裂失效和延長鋰離子電池的循環(huán)使用壽命。(2)基于擴散動力學和異質外延應變層理論,建立了在納米薄膜硅陽極材料中考慮失配位錯產(chǎn)生的模型,通過運用能量最小化的計算方法,詳細地分析了在恒流和恒壓條件下擴散誘導失配位錯的產(chǎn)生與分布;分別討論了薄膜電極中的均勻應變能和最小總應變能。結果表明,當鋰離子嵌入的時間與擴散層厚度分別小于各自的臨界值時,薄膜電極中的總應變能隨著失配位錯間距的增大而單調遞減;此時,擴散層中無失配位錯產(chǎn)生;相比于在恒流條件下的失配位錯形核時間,在恒壓條件下,失配位錯形核時間更短且速度更快;從薄膜電極表面到某一擴散層厚度之間的位錯密度遠低于這一區(qū)域以下的位錯密度。合理地調控薄膜電極的充電參數(shù)和失配位錯密度的分布以松弛電極內部應變和緩解內部應力場,從而提高鋰離子電池的持續(xù)性。(3)根據(jù)彈塑性變形理論,建立了兩個鋰化前端并發(fā)的運動和鋰化引起體積膨脹效應的鋰化相變模型。通過理論計算,分析了鋰化誘導應力場對鋰化驅動力的貢獻;討論了在不同的非晶硅殼尺寸條件下與應力有關的鋰化驅動力;預測了非晶硅和碳納米纖維復合結構可能出現(xiàn)的斷裂與脫結失效。結果表明,在未被鋰化硅殼中,切向和軸向應力遠低于在被鋰化硅殼中的切向和軸向應力;相比于朝向空心硅納米線外部運動的鋰化前端上的鋰化反應阻力,朝向空心硅納米線內部運動的鋰化前端上的鋰化反應阻力更小,納米線外表面處所形成的鋰化層更厚;空心硅納米線的外半徑越小,兩個鋰化前端上的鋰化反應阻力均越小。研究結果可為避免電極發(fā)生斷裂和脫結失效以及延長鋰離子電池陽極的循環(huán)使用壽命提供理論的支持,同時為電極的優(yōu)化設計提供了一些基本的指導。
【關鍵詞】：鋰離子電池 擴散誘導應力 位錯誘導應力 彈性應變能 三明治鋰化 鋰化前端 鋰化驅動力 能量釋放率
【學位授予單位】：湖南大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：TM912
【目錄】：

• 摘要5-7
• Abstract7-11
• 第1章 緒論11-21
• 1.1 研究背景和意義11-13
• 1.2 國內外研究現(xiàn)狀綜述13-19
• 1.2.1 擴散動力學的研究現(xiàn)狀13-16
• 1.2.2 鋰化動力學的研究現(xiàn)狀16-19
• 1.3 本文的主要研究內容和創(chuàng)新點19-21
• 第2章 受位錯機制影響的擴散誘導應力和應變能研究21-35
• 2.1 引言21
• 2.2 問題的描述和基本公式21-27
• 2.3 結果與討論27-34
• 2.3.1 鋰離子濃度分布27-28
• 2.3.2 應力場分析28-32
• 2.3.3 彈性應變能分析32-34
• 2.4 本章小結34-35
• 第3章 擴散誘導失配位錯的產(chǎn)生與分布研究35-49
• 3.1 引言35-36
• 3.2 問題的描述和基本公式36-40
• 3.2.1 恒流條件下的鋰離子擴散38-39
• 3.2.2 恒壓條件下的鋰離子擴散39-40
• 3.3 結果與討論40-47
• 3.3.1 鋰離子濃度分布40-41
• 3.3.2 彈性應變能分析41-44
• 3.3.3 平衡失配位錯間距和密度分析44-46
• 3.3.4 最小應變能與均勻應變能分析46-47
• 3.4 本章小結47-49
• 第4章 非晶硅與碳納米纖維復合結構的三明治鋰化機制研究49-65
• 4.1 引言49-50
• 4.2 問題的描述和基本公式50-58
• 4.3 結果與討論58-64
• 4.3.1 鋰化應力場分布59-60
• 4.3.2 與應力有關的鋰化驅動力分析60-63
• 4.3.3 斷裂與脫結失效分析63-64
• 4.4 本章小結64-65
• 總結與展望65-68
• 參考文獻68-83
• 致謝83-84
• 附錄A 碩士期間所完成的學術論文84

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  本文關鍵詞：鋰離子電池電極中擴散誘導位錯及鋰化行為的機理研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

本文編號：429211