几种锂离子电池电极结构的电学与力学性能研究

发布时间：2017-05-01 20:04

  本文关键词：几种锂离子电池电极结构的电学与力学性能研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：锂离子电池是一种能反复使用的可充电电池,在工作过程中锂离子在两个电极之间不断进行着脱嵌——移动——嵌入的循环过程。伴随该过程,电极结构的力学变形将与锂离子的扩散行为耦合影响。这一耦合效应往往与电极的材料与结构特性密切相关,决定着锂离子电池的容量,使用寿命等重要指标。本论文围绕几种电极结构的电学与力学性能展开研究,建立了电极结构连续介质力学变形与离子扩散耦合的理论模型,利用有限元仿真对所建立的模型进行了定量分析,取得了如下创新性研究成果:首先,建立了柱形锂离子电池电极在充电过程中电极结构变形与锂离子在电极结构内部扩散行为的耦合理论模型,通过有限元软件进行定量仿真模拟计算,验证了电极表面“锁死”现象。通过改变各种材料参数,得出了它们对扩散过程的影响趋势。较大的无应力影响扩散系数,较小的弹性模量、泊松比、偏摩尔体积都有利于电池的扩散,并可以有效的推迟表面“锁死”现象的发生。其次,构建中空柱形电极模型,通过改变中空电极内部孔洞的尺寸,发现了电极内部最大压应力在内部孔洞边长为某一特定值时达到最小,同时其发生“锁死”现象的时间也适中,综合考虑其可能是中空柱形电极的最优化方案。在此基础上,本文还分别讨论了针对中空电极的三种不同的充电模式,通过对比发生“锁死”现象前电极输入的总电量,得到了充电模式的优化方案。另外,考虑分层结构电极,表面采用弹性模量较小的材料制作,发现表层结构厚度越大,电极内部的最大压应力越小,同时“锁死”现象也大幅延后。
【关键词】：锂离子电池 表面“锁死”现象 扩散诱导应力 中空电极结构
【学位授予单位】：兰州大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TM912
【目录】：

• 摘要3-4
• Abstract4-7
• 第一章 绪论7-12
• 1.1 锂电池发展简史7
• 1.2 锂电池简介7-9
• 1.3 锂电池电极研究进展简介9-11
• 1.4 本文的主要工作11-12
• 第二章 柱形电极模型构建12-18
• 2.1 柱形电极弹性-扩散耦合方程12-15
• 2.2 利用Comsol Multiphysics软件构建电极模型15-17
• 2.3 本章小结17-18
• 第三章 电极材料性质参数分析18-47
• 3.1 计算结果各项指标初步分析18-32
• 3.2 D_0对扩散过程的影响32-35
• 3.3 β 对扩散过程的影响35-39
• 3.4 μ 对扩散过程的影响39-42
• 3.5 Ω 对扩散过程的影响42-44
• 3.6 本章小结44-47
• 第四章 几种电极结构的电学与力学性能分析47-62
• 4.1 中空柱形电极孔洞尺寸对充电过程的影响47-54
• 4.2 充电模式对充电过程的影响54-58
• 4.3 分层电极结构性能分析58-60
• 4.4 本章小结60-62
• 第五章 结束语62-64
• 参考文献64-68
• 致谢68

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