發(fā)布時間：2020-03-30 08:30

【摘要】：活性顆粒的斷裂是造成鋰離子電池循環(huán)性能退化最主要的原因之一。通過模擬活性顆粒的斷裂機理,有助于電池結(jié)構(gòu)和充放電方案的優(yōu)化,提高鋰電池的循環(huán)性能。本文運用數(shù)值模擬方法研究了活性顆粒在充放電條件下裂紋的演化。主要結(jié)果如下:通過建立擴散-應(yīng)力耦合和擴展有限單元法的含中心裂紋球形顆粒模型,模擬顆粒尺寸、初始裂紋長度、充放電倍率(C-rate)以及裂紋表面擴散(CSD)等因素對活性顆粒內(nèi)部濃度分布、應(yīng)力分布和斷裂行為的影響。在嵌鋰過程中,當(dāng)顆粒尺寸較大、初始裂紋較長、C-rate較高時,活性顆粒更容易開裂�；钚灶w粒的斷裂出現(xiàn)了裂紋不擴展、裂紋穩(wěn)定擴展以及裂紋不穩(wěn)定擴展等三個階段。CSD可以減小活性顆粒內(nèi)部鋰離子濃度差和應(yīng)力的最大值,因此也能抑制活性顆粒的斷裂。初始裂紋長度越長,CSD對斷裂的抑制效應(yīng)越明顯。建立了活性顆粒和粘結(jié)劑相互作用的模型。使用修正的J積分計算公式,探究裂紋長度與J積分之間的關(guān)系,得到了最危險的裂紋長度值。通過對比擴散-應(yīng)力順序和全耦合的研究結(jié)果,探究了全耦合效應(yīng)對鋰離子濃度、應(yīng)力以及J積分的影響。研究結(jié)果表明,無論是單邊裂紋還是中心裂紋,J積分最大值都出現(xiàn)在裂尖位置r=0.6R的時候。粘結(jié)劑的包覆會導(dǎo)致顆粒內(nèi)部濃度分布不均勻,使得完全充放電變得更困難。粘結(jié)劑的彈性模量會極大的影響裂紋擴展的驅(qū)動力,較軟的粘結(jié)劑會使得活性顆粒內(nèi)部應(yīng)力減小,裂紋更不容易擴展�；谌牧螸iNi_xCo_yMn_(1-x-y)O_2(NMC)的活性顆粒形貌的實驗觀測,使用分形算法建立了由隨機分布的一級粒子組成的二級顆粒模型,采用內(nèi)聚裂紋單元建模的有限元方法模擬了二級顆粒內(nèi)的界面裂紋演化,分析了鋰化過程中不同斷裂能對裂紋演化的影響,并發(fā)現(xiàn)斷裂能對裂紋密度和裂紋分叉有著顯著的影響。鋰化過程中,二級顆粒中心出現(xiàn)的是I型裂紋,伴隨著裂紋分叉現(xiàn)象。同時,二級顆粒的表面也會出現(xiàn)少量的Ⅱ型裂紋。同時,電化學(xué)(鋰化/去鋰化)循環(huán)過程中的損傷也會引起二級顆粒的斷裂,當(dāng)損傷累積到一定程度,裂紋會在某個循環(huán)中快速擴展,進而貫穿整個活性顆粒。
【圖文】：

鋰離子電池在其能量密度上有著極大的優(yōu)勢（如圖1.1 所示[1]）。不僅如此，鋰離子電池還具有無記憶效應(yīng)、無毒害、可充電和較高的開路電壓等優(yōu)勢[2-7]。自 1991 年 Sony 公司發(fā)布首個商業(yè)化的鋰離子電池以來，鋰離子電池由于其能量密度高、使用壽命長、額定電壓高、尺寸小以及安全性高等特點，使得它在手機、筆記本電腦、數(shù)碼相機、平板電腦等便攜式電子設(shè)備領(lǐng)域發(fā)展的非常迅猛。由于全球能源緊缺的問題，最近幾年全球都在大力發(fā)展混合動力汽車和電動汽車。為了滿足混合動力汽車和電動汽車動力、續(xù)航、可靠性等方面的要求，新能源汽車市場對商業(yè)化鋰離子電池產(chǎn)品的容量、壽命、功率、安全性以及成本等方面提出了更高的要求。從鋰離子電池的結(jié)構(gòu)來看，目前商業(yè)鋰電池的結(jié)構(gòu)形式有以下幾種：（1）柱狀電池：通常用于遙控器、手電筒，甚至廣泛的應(yīng)用于電動汽車上。柱狀電池通常型號為 18650 和 21700，前兩位數(shù)表示直徑，后三位數(shù)表示表示高度，單位為 mm。（2）紐扣電池：由于其體積小的特點通常應(yīng)用在電腦主板、計算器、手表等小型電子設(shè)備上。常用型號為 2032 和 2025，前兩位數(shù)表示直徑，后兩位數(shù)表示表示高度，單位為 mm。（3）殼裝電池：主要應(yīng)用在手機、數(shù)碼

2圖 1.2 鋰離子的結(jié)構(gòu)示意圖[1](a)圓柱式 (b)紐扣式 (c)卷繞式 (d)層疊式。鋰離子電池通常有五個主要組成部分：正極、負極、隔膜、電解液以及包
【學(xué)位授予單位】：上海大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：O346.1;TM912

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本文編號：2607305