多物理场耦合方法研究锂枝晶形成中电场的作用

发布时间：2020-07-04 22:10

【摘要】：20世纪70年代初,M.S.Whittingham提出并开始研究锂电池,随着科技的发展,锂离子电池已经成为了主流储能设备之一。锂离子电池以其特有的性能优势,已广泛应用于便携式电器、电动汽车以及航空航天等领域。然而,目前的锂离子电池技术在实际应用中仍存在较多的问题,其中锂枝晶生长是影响锂离子电池安全性和稳定性的根本问题之一。锂枝晶在生长过程中会不断消耗电解液并导致金属锂的不可逆沉积,形成死锂造成库伦效率的降低;锂枝晶的形成甚至还会刺穿隔膜导致锂离子电池内部短接,造成电池的热失控引发燃烧爆炸。因此如何高效安全地抑制锂枝晶生长问题具有重要的研究价值。目前,在众多抑制锂枝晶生长的方案中,以下几种方案获得了广泛认可:1.调控负极表面的粗糙度,例如使用添加剂包覆凸起表面;2.使负极颗粒的尺寸小于临街的动力学曲率半径;3.电镀电位的选择低于临界值,并改善充放电机制,例如使用脉冲方式;4.电沉积润湿性的调控等。本文使用多物理场耦合方法模拟研究锂枝晶形成的过程中,电场和锂离子浓度以及电极表面之间的关系。建立二维锂离子电池简化模型,采用Bulter-Volmer方程描述电极的电化学反应,Nernst-Planck方程计算离子通量。在模拟充电过程中,粗糙的阳极表面引起电场分布不均,突起尖端电场较强,电池内部锂离子浓度分布明显不均匀。由于阴极发生氧化反应,阳极发生还原反应,阴极锂离子浓度会明显高于阳极。针对电极表面突起大小、充电电压、电流密度、工作温度、以及电解液浓度等研究分析电极表面锂枝晶沉积厚度的影响因素,结果表明接触角和接触半径越小,即阳极表面越粗糙,锂沉积厚度反而越大,充电电压,电流密度以及电解液浓度的增大也会使沉积厚度增大,而突起位置沉积厚度会随着工作温度的增大而减小,与他人实验研究结果基本吻合。在研究锂枝晶形成影响因素的基础下,我们提出阳极网状屏蔽结构的设想。由于屏蔽网的存在,屏蔽网与阳极之间电场被屏蔽,形成无场空间,电极表面附近锂离子浓度趋向均匀,从而产生抑制锂枝晶形成的效果。阳极表面突起和光滑位置锂沉积厚度研究的结果证实,该设想在理论模拟中有效。另外,我们研究讨论了屏蔽网目数和与阳极的间距对抑制效果的影响。结果表明,屏蔽网目数的提高以及与阳极表面间距的增加都能够提高电极表面区域电场屏蔽的效果。将电场屏蔽区域设置为距离电极表面30μm的空间,当屏蔽网目数为400目,与阳极间距为300μm时,屏蔽效果最佳。
【学位授予单位】：江苏大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TM912
【图文】：

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. 充电过程充电过程中，阴极材料 (如：LiCoO2) 被氧化，锂离子从阴极层状经由隔膜穿过电解质然后穿过电解质重新插层到阳极石墨层之中图 1.1 为锂离子电池充放电过程中工作原理图。其中当电池在充放正负极反应如下：极（阴极）反应： uull u lu放电充电u 极（阳极）反应： u放电充电l u lu的可逆氧化还原反应： u放电充电u

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当参数和 x+δ=1 时，石墨中所嵌入的锂的含量达到阳极还原反应继续进行，负极中待插入的锂的量比石墨可吸收的，后来的锂离子就会从负极得到电子，在阳极表面开始沉积。由不光滑，凸起位置会存在尖端效应，具有较高的电场。此时锂离凸起尖端，促进负极还原反应，加速凸起位置的锂沉积，从而产锂金属电池中，锂枝晶的生长对其循环性能具有较大影响[5,6]。由不光滑导致锂离子沉积不均匀。而对于一个已经商业化的锂电池度通常都会非常大，如果因为阳极表面的不光滑，而在部分凸起的电流密度，则导致的锂枝晶问题将会非常严重[7]。此，枝晶生长给金属锂负极带来的问题主要有以下五个方面 (图

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