外力场对锂离子电池负极材料电化学性能的影响研究

发布时间：2020-10-13 03:03

　　 锂离子电池在工作中具有优良的性能,在众多领域中得到了广泛的应用。在充放电过程中,锂离子在电极与电解液之间反复嵌入与脱嵌使得电极材料内部力学性能改变;与此同时,电极材料在受到外力场作用时会引起电极材料内部力场、浓度场和锂离子扩散速率等的改变,从而影响锂离子电池的电化学性能。因此研究力对电极材料电化学性能的影响具有重要意义,但目前相关研究主要集中在内应力,而实际应用中电极材料不可避免的会受到外应力场的约束。所以,论文基于热力学理论,结合菲克第一定律与Arrhenius动力学方法,构建了锂离子电池电极材料含外力的力-化学耦合理论框架,并建立了相关的有限元模型,分析了外力场对锂离子电池电极材料力场、浓度场、电极容量等性能的影响。本文以石墨电极为研究对象,主要研究内容及结论如下:(1)基于热力学理论与菲克第一定律,建立了含外力场的锂离子流入电极材料力-化学耦合理论框架,构建了无限长电极和有限长电极两种电极模型。研究发现,在无外力状态时,电极材料静水应力为压应力,且压应力越大,浓度越低,同时发现无限长电极表面的静水应力和浓度的分布是均匀的,而有限长电极表面的静水应力和浓度的分布是非均匀的,内应力差异导致有限长电极的电极容量高于无限长电极的电极容量。(2)研究了边界力对有限长电极和无限长电极力学、电化学性能的影响。结果发现,边界压力使得电极静水压应力增大,浓度减小;边界拉力使得电极静水压应力减小,浓度增大;边界拉力可以增大电极的电极容量,促进离子扩散。反之,边界压力降低电极容量,抑制离子扩散。(3)研究了均匀应力和梯度应力对电极材料电极力学、电化学性能的影响。结果发现,径向均匀拉应力会增强离子扩散速率,增加电极的容量;而轴向均匀拉应力会降低离子输运速率,降低电极容量,均匀压应力结果与拉应力相反。径向梯度拉应力使静水应力减小,离子扩散速率增加,增大电极容量;轴向梯度拉应力使静水应力增加,离子扩散速率减少,减小电极容量;梯度压应力与拉应力相反。同时发现均匀应力比梯度应力影响更大,沿径向应力比轴向应力影响更大。(4)研究了均匀应变和梯度应变对电极材料电极力学、电化学性能的影响。研究发现均匀压应变和梯度压应变都会使静水应力减小,离子扩散速率增大,增加电极的容量;拉应变的作用效果与之相反。对比均匀应变与梯度应变对电极性能的影响,发现均匀应变比梯度应变影响更大。
【学位单位】：湘潭大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TM912
【部分图文】：

可以有效的利用空间，主要用于手机，数码相机等一些电子产品，方；纽扣常用于对电压、容量要求不高的领域，如手表等，此外纽扣式电池由于便于常用于科研研发测试[22-27]；薄膜式电池[28,29]多用于卫星电子设备，可以有小体积，利用空间。以方形石墨锂离子电池为例，锂离子电池的结构如图 1。

图 1.2 锂离子电池工作原理示意图电池的特点相比于其他二次电池，具有以下优点[34]：，锂离子电池的体积比能量大约在 250 - 400 Wh·-1)的 5 倍，是镍镉电池(130 - 150 Wh·L-1)的 2 - 3 倍量。，在锂离子电池的首次工作中，会在电极材料表面EI 膜，它可以有效的通过离子，但不能通过电子，尽可能多的保持电量，延长使用寿命。，正常情况下，锂离子电池的循环寿命大约有 500命只有 400-600(次)，所以锂离子电池对比其他二，锂离子电池的放电平台一般为 3.6 - 3.7 V，而铅镍镉电池，镍氢电池的工作电压在 1.2V 左右，锂

成本价格都比较昂贵。子电池中的力及其关联问题电池需要在较小的空间内储存大量的能量，并且需要在短电过程，这就对锂离子电池的电化学性能和力学性能提出电池电极材料内部产生应力的原因有很多，主要包括：(1)电受到自身的约束，或受到相邻原子的限制，导致活性材料体产生了应力，这是电极内部应力的主要来源，如图 1.3(a)；电池内部空间的约束，或者集流体的约束，进而产生了失配 1.3(b)、；(3)伴随着锂离子的输运过程，产生锂化相，锂化度梯度，产生了失配约束，这种失配约束与浓度梯度都是产]，如图 1.3(c)；(4)电池在工作过程中还会有热的产生，由于膨胀受到约束，在电极材料内也会产生热应力[40-43]。材料的制锂离子电池发展的重要因素之一。
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本文编号：2838647