鋰離子電池高容量電極材料的破壞預(yù)測(cè).pdf

1、鋰離子電池因其高電壓平臺(tái)、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(duì)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(dòng)汽車(chē)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(guò)程中面臨著嚴(yán)重的體積變形問(wèn)題，大體積變形伴隨著大鋰化應(yīng)力的產(chǎn)生，會(huì)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(wèn)題，本論文通過(guò)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(cè)模型，旨在明確電極材料鋰化過(guò)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(guò)實(shí)驗(yàn)加以驗(yàn)證。本論文的主要研究工作包括以下幾個(gè)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(guò)ABAQUS有限元軟件模擬了薄膜結(jié)構(gòu)和球結(jié)構(gòu)(包括實(shí)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(guò)程中濃度場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)的動(dòng)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(guò)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(wú)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(guò)程中的安全性提供了理論依據(jù)。
　　(3)通過(guò)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(shí)驗(yàn)，通過(guò)掃描電鏡觀察得到了不同厚度的錫薄膜在鋰化過(guò)程中的臨界破壞SO