鋰離子電池高容量電極材料的破壞預(yù)測.pdf

1、鋰離子電池因其高電壓平臺、高能量密度、低自放電率、綠色環(huán)保等諸多優(yōu)良性能得到了廣泛應(yīng)用。電極材料是鋰離子電池的重要組成部分，對鋰離子電池電化學(xué)性能的好壞起決定性作用。然而當(dāng)前商業(yè)化的電極材料理論比容量較低，已遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足鋰離子電池在電動汽車等高比容量需求領(lǐng)域的應(yīng)用，因此，高容量電極材料的發(fā)展應(yīng)用成為研發(fā)新型高性能鋰離子電池的關(guān)鍵。但高容量電極材料在充放電過程中面臨著嚴(yán)重的體積變形問題，大體積變形伴隨著大鋰化應(yīng)力的產(chǎn)生，會造成電極活性材料

2、的破壞甚至粉化，直接導(dǎo)致鋰離子電池容量的衰減和循環(huán)性能的降低。
　　為了解決鋰離子電池高容量電極材料的鋰化變形破壞問題，本論文通過理論分析和有限元數(shù)值模擬，建立了不同結(jié)構(gòu)高容量電極材料的相變鋰化模型及應(yīng)力破壞預(yù)測模型，旨在明確電極材料鋰化過程中的應(yīng)力演化規(guī)律，得到電極材料臨界破壞狀態(tài)與其結(jié)構(gòu)尺寸、基本力學(xué)性能之間的鋰化破壞失效機(jī)制圖，并進(jìn)一步通過實驗加以驗證。本論文的主要研究工作包括以下幾個方面：
　　(1)建立了基于理想彈

3、-塑性變形的相變鋰化模型，并通過ABAQUS有限元軟件模擬了薄膜結(jié)構(gòu)和球結(jié)構(gòu)(包括實心球、空心球和空心-核殼結(jié)構(gòu))電極材料的相變鋰化進(jìn)程，分析了鋰化過程中濃度場、應(yīng)力場的動態(tài)演化。發(fā)現(xiàn)鋰化應(yīng)力在相界處發(fā)生了突變，且電極材料表面和界面處演化增大的拉應(yīng)力是材料破壞的主要原因?？招慕Y(jié)構(gòu)不僅可以加快鋰化反應(yīng)速率，還可以在一定程度上緩解向外的鋰化膨脹，空心核-殼結(jié)構(gòu)有效控制了電極材料向外的鋰化變形。
　　(2)在相變鋰化模型的基礎(chǔ)上，基于能

4、量破壞準(zhǔn)則，建立了薄膜結(jié)構(gòu)和空心核-殼結(jié)構(gòu)電極材料的斷裂、剝離破壞模型。根據(jù)量綱分析和ABAQUS模擬，通過函數(shù)擬合，確定了電極材料臨界破壞SOC與其結(jié)構(gòu)尺寸、基本力學(xué)性能之間的無量綱函數(shù)關(guān)系，得到了相應(yīng)的鋰化破壞失效機(jī)制圖，從而為判斷高容量電極材料在鋰化過程中的安全性提供了理論依據(jù)。
　　(3)通過電鍍法制備了不同厚度的錫薄膜，并用其裝配成扣式電池進(jìn)行了充放電實驗，通過掃描電鏡觀察得到了不同厚度的錫薄膜在鋰化過程中的臨界破壞SO