锂离子电池活性材料嵌锂状态下的失效破坏理论模型

发布时间：2017-09-30 08:43

  本文关键词：锂离子电池活性材料嵌锂状态下的失效破坏理论模型

  更多相关文章： 锂离子电池 活性材料 理论模型 失效破坏

【摘要】：锂离子电池活性材料是决定锂离子电池性能与寿命的核心材料。目前商业化应用的锂离子电池的活性材料是LiCOO2(正极)和石墨(负极),它们的嵌锂容量都相对较低,已经不能满足人们对锂离子电池能量密度高、寿命长的需求,寻求性能更为优异的新型活性材料已经迫在眉睫。然而容量高的活性材料(例如Si,Sn,Al,Li FePO4)又存在一个共同的科学问题—体积变形大,即在锂化和退锂化过程中的巨大体积变化(膨胀和收缩)会使材料产生内应力,反复循环会造成损伤效应的累积,进而降低循环性能,最终导致电极材料失效。为了解决上述问题,本论文根据活性材料失效破坏的微观机理,从材料尺寸、嵌锂状态与产生裂纹破坏的关系出发,采用理论建模和实验验证相结合的研究方法,建立了一系列不同结构的活性材料理论模型,找到了活性材料破坏的临界尺寸并得以实验验证。本论文主要的研究内容和创新点如下:1.建立了薄膜材料失效破坏理论模型,以Si和Sn材料为研究对象,得到了Si薄膜在嵌锂满态的临界破坏尺寸为33 nm,Sn薄膜在嵌锂满态的临界破坏尺寸为15μm,且得到了薄膜尺寸与嵌锂状态的临界破坏曲线,建立了薄膜活性材料在不同嵌锂状态下的失效机制图。2.建立了实心材料失效破坏理论模型,包括纳米线模型和实心球模型,引入Si的材料参数,得到了Si纳米线在嵌锂满态的临界破坏尺寸为70 nm,Si实心球在嵌锂满态的临界破坏半径尺寸为90 nm,进而也得到了纳米线/实心球在不同嵌锂状态和材料尺寸条件下的临界破坏曲线。3.建立了空心材料充分利用理论模型,包括空心管模型和空心球模型,以Si和Sn材料为研究对象,得到了硅空心管和硅空心球达到充分利用的尺寸之比(D/h)分别为0.15和0.10,锡空心管和锡空心球达到充分利用的尺寸之比(D/h)分别为0.18和0.12。最终得到了空心管尺寸/空心球粒径与嵌锂状态的充分利用临界曲线,建立了空心材料在不同嵌锂状态下的充分利用分布图。4.通过镀锡薄膜实验验证了Sn薄膜在充满态的临界破坏尺寸为10μm。采用电镀法,控制电镀时间,在铜基底上电镀生长出不同厚度的Sn薄膜(10μm、18μm、26μm、35μm),通过控制充电时达到不同嵌锂状态来控制其SOC,观察得到10μm厚的锡薄膜在SOC=1时破坏,18μm、26μm厚的锡薄膜分别在SOC=0.72、SOC=0.5时破坏,35μm则在SOC=0.36时就破坏,这与理论临界曲线基本吻合。
【关键词】：锂离子电池 活性材料 理论模型 失效破坏
【学位授予单位】：湘潭大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TM912
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-9
• 第一章 绪论9-25
• 1.1 引言9-10
• 1.2 锂离子电池概述10-13
• 1.2.1 锂离子电池发展简史10-11
• 1.2.2 锂离子电池组织构造和反应原理11-12
• 1.2.3 锂离子电池的特点12-13
• 1.3 锂离子电池活性材料的研究进展13-15
• 1.3.1 电池正极材料13-14
• 1.3.2 电池负极材料14-15
• 1.4 锂离子电池活性材料失效破坏的研究现状15-23
• 1.4.1 脱嵌锂过程中活性材料的扩散应力15-18
• 1.4.2 活性材料中扩散应力的原位观察18-20
• 1.4.3 活性材料中扩散应力的数值计算20-21
• 1.4.4 活性材料中扩散应力的理论模型21-23
• 1.5 本论文的主要研究内容及意义23-25
• 第二章 锂离子电池活性材料失效破坏理论模型的建立25-36
• 2.1 引言25
• 2.2 薄膜活性材料失效破坏理论模型的建立25-27
• 2.3 实心活性材料失效破坏理论模型的建立27-30
• 2.3.1 二维纳米线模型27-29
• 2.3.2 三维纳米球模型29-30
• 2.4 空心活性材料充分利用理论模型的建立30-35
• 2.4.1 二维纳米管模型31-33
• 2.4.2 三维纳米球模型33-35
• 2.5 本章小结35-36
• 第三章 实验过程与实验方法36-44
• 3.1 引言36
• 3.2 实验原料与试剂36-37
• 3.3 实验仪器与设备37-38
• 3.4 电镀法制备薄膜负极材料38-40
• 3.4.1 电镀原理38-39
• 3.4.2 电镀流程39-40
• 3.5 薄膜形貌及结构表征分析40-41
• 3.5.1 扫描电子显微镜(SEM)分析41
• 3.5.2 X射线衍射(XRD)分析41
• 3.5.3 透射电子显微镜(TEM)分析41
• 3.6 锂离子电池的组装41-42
• 3.7 锂离子电池的电化学性能测试42-43
• 3.8 嵌锂后实验电池活性材料的测试分析43
• 3.9 本章小结43-44
• 第四章 锂离子电池失效破坏理论模型的实验验证44-57
• 4.1 薄膜活性材料失效破坏模型的实验验证44-52
• 4.1.1 镀锡薄膜的实验验证44-50
• 4.1.2 硅薄膜的实验验证50-52
• 4.2 实心活性材料失效破坏理论模型的实验验证52-54
• 4.2.1 纳米线的实验验证52-53
• 4.2.2 纳米球的实验验证53-54
• 4.3 空心活性材料充分利用理论模型的实验验证54-56
• 4.4 本章小结56-57
• 第五章 总结与展望57-59
• 5.1 工作总结57-58
• 5.2 工作展望58-59
• 参考文献59-65
• 致谢65-66
• 个人简历、在校期间发表的学术论文与研究成果66

【共引文献】

中国期刊全文数据库 前10条

1 马胜利,井晓天,葛利玲,卢正欣;电沉积过程对Fe-0.5Ni合金基体Au-Rh配套镀层龟裂的影响[J];兵器材料科学与工程;1999年01期

2 杨建明,朱荻,曲宁松;电铸纳米晶镍锰合金的性能研究[J];兵器材料科学与工程;2004年06期

3 曾磊;徐赛生;张立锋;张玮;张卫;汪礼康;;集成电路铜互连线脉冲电镀研究[J];半导体技术;2006年05期

4 乔贞美;席文君;朱春雷;贾傲;;电镀法制备超疏水性铜表面[J];北京航空航天大学学报;2008年12期

5 黄锦滨,朱宝亮,刘家浚,郑林庆,林力,张嗣伟;原子力显微镜下稀土元素对镍基刷镀层生长形貌影响的研究[J];中国表面工程;1999年01期

6 刘万方,朱建明;滚镀硬铬工艺[J];表面技术;1996年01期

7 刘建国,陈存华,郑家q，

本文编号：947248