充放电条件下硅碳电极原位变形观测及力-化耦合机理分析

发布时间：2020-07-14 20:31

【摘要】：锂离子电池因能量密度高、循环寿命长和绿色环保等优点,现已在消费3C、动力电池和储能领域得到广泛应用。但是,在循环过程中电极会产生周期的膨胀/收缩变形,破坏电极结构的完整性,使其电化学性能出现快速衰退。因此,对锂离子电池电极进行原位变形测试、研究其应力演化规律,对于优化电极结构设计和评估电池安全性能是非常重要的。本文设计和组装了一套锂离子电池电极原位变形测试系统,对硅碳电极的应变演化过程进行实时监测。根据电极的结构和工作环境等推导了相应的力学-电化学耦合分析模型,结合原位测试得到的电化学数据,得到了硅碳电极应力的演变规律。主要研究内容如下:第一,研究了电流密度和电化学循环对硅碳600偏电极力学-电化学性能的影响。在电化学循环过程中硅碳600偏电极的应变表现出各向异性和正弦变化规律。在每个放电过程张应变的值不断增大,在充电阶段又逐渐减小,但残余应变的值随着循环的进行逐渐增大。电流密度对锂离子的扩散和浓度梯度分布起着重要影响,电流密度越大,活性层表面的锂离子浓度越高。当电流密度分别为100/150/200 mA/g时,第5次循环后残余主应变的值分别为2.3%、3.85%和5.88%。当电流密度由100 mA/g增加到150 mA/g时,硅碳600偏电极的最大应力由-32.3MPa增大到-44.6 MPa;而当电流密度继续增大到200 mA/g时,应力值反而减小到-22.1 MPa。此外,硅碳600偏电极由电化学部分导致的压应力要远大于机械部分的张应力。第二,研究了电化学循环过程中硅碳950对称电极的力学-电化学性能。当电流密度为250 mA/g,在第2~4个循环内平均主应变在每个放电过程增加0.71%,而在去锂化过程平均每个循环减少0.65%。第4次循环后残余应变达到最大值1.73%,远小于电流密度200 mA/g时硅碳600偏电极的残余变形。硅碳950对称电极活性层厚度方向存在典型的锂离子浓度梯度,随着循环的进行梯度分布情况不断加剧。第9次循环后活性层表面残余锂离子浓度达到最大值49890.4mol/m~3,是首次循环后锂离子浓度的2.8倍。硅碳950对称电极应力表现出正弦变化规律,且随着循环的进行残余应力不断增大。第9次循环后,活性层表面的残余应力达到最大值-43.0 MPa,而集流体中的最大残余应力值为37.9 MPa。此外,电化学部分对硅碳950对称电极应力演化的影响要远大于机械部分。
【学位授予单位】：湘潭大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TB332;TM912
【图文】：

图 1-1 锂离子电池机械退化机理[11]，对锂离子电池在循环过程中的应变和应力演化情况进行量化性能与电化学性能之间的内在联系，对于高容量锂离子电池的全性能的监测和寿命的评估非常重要[35]。综上所述，当前锂和应力的测试以及理论研究已经得到了研究学者的广泛关注。离子电池简介离子电池发展历史0 年，意大利人 Volt 发明了人类历史上第一套化学电源，随后的重大发展。1836 年丹尼尔电池诞生，3 年后 Grove 提出空气1859 年发明铅酸电池，23 年后铅酸电池开始商业化，成为首电池。1975 年日本三洋公司开发的 Li/MnO2电池实现量产，中锂负极容易产生枝晶，造成电池短路，甚至引发爆炸等重大安

LiFePO4电极使锂离子电池的容量、倍率和安全性能得到进一 年后，锂离子电池的发展进入新阶段，应用也越来越广泛。式电子产品和新能源汽车行业的快速发展，对锂离子电池的、安全性能和循环寿命提出了更高的要求。推动着新型正极材等方向探索，而负极材料则向硅基、锡基和锂金属等方向发离子电池主流在研和产业化正负极材料平均放电电压与电池。从图中可知，从电池容量设计的角度进行考虑，与正极材极材料可以更加显著的提升锂离子电池的容量[38,39]。

活性材料、导电剂、粘结剂和集流体构成。锂离子电池通过电与化学能之间的转化，其工作原理(以 LiCoO2正极，石墨负 所示。充电时，在锂离子电池的正负极接通外部电源，电子从传导到负极；而锂离子从 LiCoO2正极材料出发，通过电解液负极与电子相结合，发生还原反应。且从正极转移到负极的锂池的容量就越高。放电时，在锂离子电池的正负极之间连接用，此时负极的锂原子被氧化失去电子，在外电路上形成电流；返回正极，重新变为 LiCoO2。在这个过程中，从负极转移到越多，电池可以释放的容量越高。以 LiCoO2为正极，石墨作为例，其充放电反应式如下所示：正极反应：Charge2 1 2DischargeLiCoO Li Co Li e+ →+ +← xx x 负极反应：Charge6Discharge6C Li e Li C+ →+ +← xx x 总反应：Charge2 1 2 6DischargeLiCoO 6C Li CoO 6Li C →+ +← x x

【相似文献】

相关期刊论文 前10条

1 申晨;王怀国;;我国锂离子电池产业技术发展概况[J];新材料产业;2019年09期

2 周晓吉;刘婷婷;;锂离子电池隔膜材料的制备及其研究进展[J];电池工业;2019年05期

3 晏婷婷;郭小明;;废旧锂离子电池回收处理技术的研究进展[J];江西化工;2018年06期

4 杨杰;王婷;杜春雨;闵凡奇;吕桃林;张熠霄;晏莉琴;解晶莹;尹鸽平;;锂离子电池模型研究综述[J];储能科学与技术;2019年01期

5 高飞;朱艳丽;齐创;王松岑;杨凯;;锂离子电池安全事故激源浅析[J];电源技术;2019年03期

6 黄兵;;高电压锂离子电池组充电模式改造方案——锂离子电池管理研究之二[J];中国金属通报;2018年12期

7 黄红军;张晓雪;;回收废旧锂离子电池中有价组分的研究现状[J];电源技术;2019年04期

8 苏芳;李相哲;徐祖宏;;新一代动力锂离子电池研究进展[J];电源技术;2019年05期

9 丁奉;刘玉媛;宋固;;锂离子电池产业发展及船舶应用研究[J];船舶物资与市场;2019年08期

10 林虹;曹开颜;;2018年我国锂离子电池市场现状与发展趋势[J];电池工业;2019年04期

相关会议论文 前10条

1 连丽玲;李春南;黄奕钊;;新形势下对锂离子电池检测标准侧重点及不足的思考[A];探索科学2016年6月学术研讨[C];2016年

2 周恒辉;祁丽亚;信跃龙;杨程凯;吴恺;;构建自支撑柔性高能密度锂离子电池电极[A];中国化学会第30届学术年会摘要集-第三十分会：化学电源[C];2016年

3 孙维yN;于川茗;梁静;陶占良;陈军;;花状二硫化钼的制备及锂离子电池性能的研究[A];第七届全国物理无机化学学术会议论文集[C];2016年

4 余小清;陈国喜;邹嘉林;陈东云;王宣懿;;基于ANSYS的18650锂离子电池单体稳态热分析[A];2017年中国汽车先进技术应用大会论文集（《汽车实用技术》2017年第7期）[C];2017年

5 安宇鹏;张U

本文编号：2755451