电极活性颗粒充放电下断裂行为的数值模拟

发布时间：2020-03-30 08:30

【摘要】：活性颗粒的断裂是造成锂离子电池循环性能退化最主要的原因之一。通过模拟活性颗粒的断裂机理,有助于电池结构和充放电方案的优化,提高锂电池的循环性能。本文运用数值模拟方法研究了活性颗粒在充放电条件下裂纹的演化。主要结果如下:通过建立扩散-应力耦合和扩展有限单元法的含中心裂纹球形颗粒模型,模拟颗粒尺寸、初始裂纹长度、充放电倍率(C-rate)以及裂纹表面扩散(CSD)等因素对活性颗粒内部浓度分布、应力分布和断裂行为的影响。在嵌锂过程中,当颗粒尺寸较大、初始裂纹较长、C-rate较高时,活性颗粒更容易开裂。活性颗粒的断裂出现了裂纹不扩展、裂纹稳定扩展以及裂纹不稳定扩展等三个阶段。CSD可以减小活性颗粒内部锂离子浓度差和应力的最大值,因此也能抑制活性颗粒的断裂。初始裂纹长度越长,CSD对断裂的抑制效应越明显。建立了活性颗粒和粘结剂相互作用的模型。使用修正的J积分计算公式,探究裂纹长度与J积分之间的关系,得到了最危险的裂纹长度值。通过对比扩散-应力顺序和全耦合的研究结果,探究了全耦合效应对锂离子浓度、应力以及J积分的影响。研究结果表明,无论是单边裂纹还是中心裂纹,J积分最大值都出现在裂尖位置r=0.6R的时候。粘结剂的包覆会导致颗粒内部浓度分布不均匀,使得完全充放电变得更困难。粘结剂的弹性模量会极大的影响裂纹扩展的驱动力,较软的粘结剂会使得活性颗粒内部应力减小,裂纹更不容易扩展。基于三元材料LiNi_xCo_yMn_(1-x-y)O_2(NMC)的活性颗粒形貌的实验观测,使用分形算法建立了由随机分布的一级粒子组成的二级颗粒模型,采用内聚裂纹单元建模的有限元方法模拟了二级颗粒内的界面裂纹演化,分析了锂化过程中不同断裂能对裂纹演化的影响,并发现断裂能对裂纹密度和裂纹分叉有着显著的影响。锂化过程中,二级颗粒中心出现的是I型裂纹,伴随着裂纹分叉现象。同时,二级颗粒的表面也会出现少量的Ⅱ型裂纹。同时,电化学(锂化/去锂化)循环过程中的损伤也会引起二级颗粒的断裂,当损伤累积到一定程度,裂纹会在某个循环中快速扩展,进而贯穿整个活性颗粒。
【图文】：

电池,锂离子电池,两位数,电动汽车

锂离子电池在其能量密度上有着极大的优势（如图1.1 所示[1]）。不仅如此，锂离子电池还具有无记忆效应、无毒害、可充电和较高的开路电压等优势[2-7]。自 1991 年 Sony 公司发布首个商业化的锂离子电池以来，锂离子电池由于其能量密度高、使用寿命长、额定电压高、尺寸小以及安全性高等特点，使得它在手机、笔记本电脑、数码相机、平板电脑等便携式电子设备领域发展的非常迅猛。由于全球能源紧缺的问题，最近几年全球都在大力发展混合动力汽车和电动汽车。为了满足混合动力汽车和电动汽车动力、续航、可靠性等方面的要求，新能源汽车市场对商业化锂离子电池产品的容量、寿命、功率、安全性以及成本等方面提出了更高的要求。从锂离子电池的结构来看，目前商业锂电池的结构形式有以下几种：（1）柱状电池：通常用于遥控器、手电筒，甚至广泛的应用于电动汽车上。柱状电池通常型号为 18650 和 21700，前两位数表示直径，后三位数表示表示高度，单位为 mm。（2）纽扣电池：由于其体积小的特点通常应用在电脑主板、计算器、手表等小型电子设备上。常用型号为 2032 和 2025，前两位数表示直径，后两位数表示表示高度，单位为 mm。（3）壳装电池：主要应用在手机、数码

锂离子,结构示意图,卷绕式,圆柱式

2图 1.2 锂离子的结构示意图[1](a)圆柱式 (b)纽扣式 (c)卷绕式 (d)层叠式。锂离子电池通常有五个主要组成部分：正极、负极、隔膜、电解液以及包
【学位授予单位】：上海大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：O346.1;TM912

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