相变电极材料力学行为的理论研究
发布时间：2021-07-19 11:15
电动汽车的发展对锂电池的容量、充放电速率和使用寿命提出了更高的要求。锂离子在嵌入和脱出电极材料的过程中不可避免地产生应力,尤其是电极内发生相变时,产生严重晶格畸变,甚至导致塑性变形和裂纹的产生。很多理论工作致力于计算电极内应力的大小,提出避免电极破坏的方案。然而,目前研究应力与锂化动力学相互作用机制的工作还比较欠缺。本文主要研究相变电极中的应力演变以及应力对锂离子扩散、输出电势、电极容量和相界面迁移的影响。具体工作归纳如下:本文发展了复杂形状电极中相变、塑性、应力与扩散耦合演化的相场模型。在相场模型中引入一个静态序参量来表征电极颗粒的形状,通过Cahn-Hilliard方程模拟颗粒内部的相变过程,J2流动律描述塑性流动,相场微弹性理论求解相变电极内应力的分布和演化过程。将该相场模型应用于两相锂化过程模拟,重复出前人预测的纳米线电极表面切向压应力转变为拉应力的过程,进一步阐明了复杂形状电极中曲率越大的表面越容易出现这种应力状态的转变。本文发展考虑应力的反应相场模型来研究在电极发生塑性变形时应力对电势和容量的影响。根据应力耦合的广义Butler-Volmer方程,模拟出电极放电曲线。单相锂...
【文章来源】：中国科学技术大学安徽省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：125 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
图１．２电动汽车对锂电池综合性能指标要求图??与传统燃油汽车相比，电动汽车存在“里程焦虑”的问题，解决这个问题的??
提高电子和离子传导能力，增加充放电的库伦效率Ｗ。并且，负极材料要??具有较低的电极电位，正极材料需要具有较高的电极电位，以满足锂离子电池能??输出较高电压的要求［２２］。图１．３中列举出目前广泛研究的锂电池正极和负极材料??及其工作电压和容量ｍ，从中可以发现高容量的电极材料普遍是相变电极材料，??本论文主要关注相变材料的力学行为，介绍如下。??３??
含量的增加，硅的晶体结构逐渐被破坏形成非晶态的合金［２３］。晶体硅中各个晶??向的扩散系数差别大，呈现各向异性锂化的特征，不同晶向的硅纳米线电极在锂??化后形状变得非常复杂，如图１．４（ａ）－（ｃ）所示［２４１。需要注意的是，硅电极在电化??学循环过程中会产生剧烈的体积膨胀和收缩，导致硅电极产生裂纹，如图１．４（ｄ）??所示［２５］。新暴露出的表面上会形成新的表面固体电解质层（ＳＥＩ），进而引起锂离??子的不可逆消耗［１３］。??石墨是一种具有层状结构的电极材料，层间可嵌入锂离子形成ＬｉＣｘ层间化??合物，会发生可逆相变［２６］。锂离子并不是随机分散在各个层片之间，而是每隔??几层占据一层，呈现周期性分布，锂离子在不同层的分布特征使得石墨的光学性??质出现很大差异，在光学显微镜下原位观测到石墨锂化过程中形成的“台阶状”??形貌，如图１．４（ｅ）所示［２７］。目前认为这种台阶结构形成与层间锂离子的长程静电??相互作用及层间的弹性相互作用有关［２８］。??ｉｎｕｍＭ??Ｉ?——??图１．４不同负极材料的相变和力学行为：（ａ）－（ｃ）扫描电子显微镜观察到的不同晶向的硅纳米??线电极锂化后形貌［２４］。（ｄ）硅电极颗粒锂化过程中形成裂纹［２５］
【参考文献】：
期刊论文
[1]锂离子电池电极材料的断裂现象及其研究进展[J]. 张俊乾,吕浡,宋亦诚. 力学季刊. 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)
本文编号：3290599
【文章来源】：中国科学技术大学安徽省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：125 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
图１．２电动汽车对锂电池综合性能指标要求图??与传统燃油汽车相比，电动汽车存在“里程焦虑”的问题，解决这个问题的??
提高电子和离子传导能力，增加充放电的库伦效率Ｗ。并且，负极材料要??具有较低的电极电位，正极材料需要具有较高的电极电位，以满足锂离子电池能??输出较高电压的要求［２２］。图１．３中列举出目前广泛研究的锂电池正极和负极材料??及其工作电压和容量ｍ，从中可以发现高容量的电极材料普遍是相变电极材料，??本论文主要关注相变材料的力学行为，介绍如下。??３??
含量的增加，硅的晶体结构逐渐被破坏形成非晶态的合金［２３］。晶体硅中各个晶??向的扩散系数差别大，呈现各向异性锂化的特征，不同晶向的硅纳米线电极在锂??化后形状变得非常复杂，如图１．４（ａ）－（ｃ）所示［２４１。需要注意的是，硅电极在电化??学循环过程中会产生剧烈的体积膨胀和收缩，导致硅电极产生裂纹，如图１．４（ｄ）??所示［２５］。新暴露出的表面上会形成新的表面固体电解质层（ＳＥＩ），进而引起锂离??子的不可逆消耗［１３］。??石墨是一种具有层状结构的电极材料，层间可嵌入锂离子形成ＬｉＣｘ层间化??合物，会发生可逆相变［２６］。锂离子并不是随机分散在各个层片之间，而是每隔??几层占据一层，呈现周期性分布，锂离子在不同层的分布特征使得石墨的光学性??质出现很大差异，在光学显微镜下原位观测到石墨锂化过程中形成的“台阶状”??形貌，如图１．４（ｅ）所示［２７］。目前认为这种台阶结构形成与层间锂离子的长程静电??相互作用及层间的弹性相互作用有关［２８］。??ｉｎｕｍＭ??Ｉ?——??图１．４不同负极材料的相变和力学行为：（ａ）－（ｃ）扫描电子显微镜观察到的不同晶向的硅纳米??线电极锂化后形貌［２４］。（ｄ）硅电极颗粒锂化过程中形成裂纹［２５］
【参考文献】：
期刊论文
[1]锂离子电池电极材料的断裂现象及其研究进展[J]. 张俊乾,吕浡,宋亦诚. 力学季刊. 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)
本文编号：3290599
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