锂离子电池石墨负极变形行为实验与模拟研究

发布时间：2022-04-17 19:04

　　锂离子电池广泛应用于航天、航空、航海及轨道交通等领域,已成为现代社会人类生产生活不可或缺的一部分。锂离子电池负极材料在锂离子脱/嵌的过程中,会发生较大的膨胀和收缩变形,反复循环会造成损伤效应的累积,最终导致电极材料失效。建立原位的实验测试装置,揭示负极材料的变形与失效机理是锂离子电池亟待发展的关键科学与技术问题之一。本文以石墨负极为研究对象,通过原位扫描电镜、原位光学实验和数值模拟相结合的方法,探究负极锂化膨胀引起的变形演化机理和锂离子扩散规律,从电极结构层面为锂离子电池的商业化负极应用提供技术支撑。本文主要研究内容和结论如下:1、自主设计并搭建宏观原位光学实验平台,在真实电池的基础上,设计能够反映电池内部真实电化学反应的原位池。基于比色法实现充放电过程中电池内部锂化分布的定性表征,率先报道了真实电池内部离子扩散路径,揭示了真实服役环境下锂离子扩散机理。原位光学实验研究发现:锂离子穿过隔膜从电极表面嵌入石墨负极,并从石墨电极外侧靠近隔膜处脱出,电极表面为嵌/脱锂优先区域;电池内部活性高的地方有集中嵌锂区域,具有锂化不均匀的现象。2、自主设计并搭建微观原位扫描电镜实验平台,并结合非接触式... 

【文章页数】：69 页

【学位级别】：硕士

【文章目录】：
摘要
abstract
第一章 绪论
    1.1 研究背景及意义
    1.2 锂离子电池的原理及特点
        1.2.1 锂离子电池工作原理
        1.2.2 锂离子电池负极材料介绍
        1.2.3 锂离子电池负极锂化行为
    1.3 国内外研究现状
        1.3.1 负极力学变形原位实验进展
        1.3.2 力化耦合数值模拟研究进展
        1.3.3 存在的科学问题
    1.4 总体思路与研究内容
        1.4.1 研究思路
        1.4.2 研究的主要内容
第二章 基于原位光学的负极锂离子扩散实验研究
    2.1 前言
    2.2原位光学实验
        2.2.1 实验装置与设备
        2.2.2 试样制作
        2.2.3 原位实验结果
    2.3 基于比色法的实验结果分析与讨论
    2.4 本章小结
第三章 基于原位SEM的锂电池负极变形场实验研究
    3.1 前言
    3.2 数字图像相关法介绍
    3.3 SEM原位实验
        3.3.1 原位实验装置搭建
        3.3.2 试样制作与实验流程
        3.3.3 SEM原位实验结果
    3.4 基于DIC的实验结果分析与讨论
    3.5 本章小结
第四章 锂电池负极变形与扩散行为数值模拟研究
    4.1 前言
    4.2 力化耦合理论模型介绍
    4.3 锂电池负极数值仿真模拟
        4.3.1 模型建立
        4.3.2 材料参数与边界条件
        4.3.3 结果与讨论
    4.4 本章小结
第五章 结论与展望
    5.1 论文主要创新与结论
    5.2 展望
参考文献
致谢
在学期间发表的学术论文及其他科研成果
附录


【参考文献】：
期刊论文
[1]锂电池基础科学问题（Ⅰ）——化学储能电池理论能量密度的估算[J]. 彭佳悦,祖晨曦,李泓.  储能科学与技术. 2013(01)



本文编号：3646116