实心碳纳米球电极材料在锂离子脱出和嵌入过程中的扩散应力研究

发布时间：2021-08-14 18:03

　　近几年来,伴随着科技的飞速发展,社会的高速进步,新能源问题矛盾日益突出,人们对于新能源的探索的积极性也越来越高。伴随着氢气、天然气、太阳能、风能以及核能等新型能源的兴起,人们对电能的使用,依赖性也比较之前有所提高,与之配套的电池技术的研究备受关注,其中锂离子电池在现阶段已研制的二次电池中,因为其相关技术所能获得的电池能量是最高的,所以也是最受人们关注的。在本文的这项研究中,提出了一种结合了扩散应力和曲率效应球形弹性模型,研究了实心碳纳米球电极材料在锂离子脱出和嵌入过程中的扩散诱导应力相关问题。采用了单相扩散模型分析了恒电压充放电条件下锂离子初始浓度和电极尺寸对扩散应力的影响。采用了有限差分方法研究了锂离子扩散引起的球壳应力的发生和演变,然后利用单相扩散材料数值模拟了锂离子浓度对扩散应力的影响。通过控制锂离子的初始浓度来计算球壳电极中锂离子浓度的变化,然后改变电极材料的尺寸以探索实心碳纳米球电极材料的径向和周向应力。并根据相关计算结果进行对比,从而得出相应的锂离子浓度的变化规律和实心碳纳米球电极材料的径向和周向应力的变化规律。 

【文章来源】：南京理工大学江苏省 211工程院校

【文章页数】：74 页

【学位级别】：硕士

【部分图文】：

填充满锂离子的球壳

硕士学位论文实心碳纳米球电极材料在锂离子脱出和嵌入过程中的扩散应力研究233.建模运行结果3.1云图分析3.1.1充电过程首先分析充电过程的云图。当实心球形颗粒电极结构内径为0，外径为20纳米，锂离子初始浓度为0，电解液锂离子相对浓度为1.0时相关数据云图。图5内径为0，外径为20纳米，锂离子初始浓度为0，电解液锂离子相对浓度为1.0，c的数据云图图5为内径是0，外径是20纳米，电解液锂离子相对浓度为1.0时碳纳米球内锂离子相对浓度变化的示意图，由于假设上一次放电过程完全，因此碳纳米球边界处锂离子浓度等于电解液中锂离子浓度始终不变，而结构内部初始锂离子浓度为0。从图中可以看出：在充电过程开始时，电解液内锂离子嵌入碳纳米球边界，碳纳米球内部并没有锂离子嵌入，随着充电过程的进行，结构内部锂离子相对浓度逐渐升高，靠近边界处的相对锂离子浓度变化最快。最终，碳纳米球内相对锂离子浓度达到稳定，球心位置相对锂

3.建模运行结果硕士学位论文24离子浓度最低，边界位置锂离子相对浓度最高且等于电解液内锂离子相对浓度。图6内径为0，外径为20纳米，锂离子初始浓度为0，电解液锂离子相对浓度为1.0，r的数据云图图6为内径是0，外径是20纳米，电解液锂离子相对浓度为1.0时无量纲径向应力0r的示意图，从图中可以看出：在充电过程开始时，外边界无量纲径向应力0r为0，这是由于碳纳米球处于自由边界状态。大致在92%半径处无量纲径向应力0r达到最大值，而结构内部由于没有锂离子嵌入，其无量径向纲应力0r为0。随着充电过程的进行，最大无量纲径向应力0r位置向球心移动，这与纳米碳球内锂离子浓度分布有关，而结构内部无量纲径向应力0r也随之增大。最后充电过程完成，结构内锂离子达到饱和，碳纳米球内部存在一个相对稳定的应力。


本文编号：3342932