【摘要】：20世紀(jì)70年代初,M.S.Whittingham提出并開始研究鋰電池,隨著科技的發(fā)展,鋰離子電池已經(jīng)成為了主流儲能設(shè)備之一。鋰離子電池以其特有的性能優(yōu)勢,已廣泛應(yīng)用于便攜式電器、電動汽車以及航空航天等領(lǐng)域。然而,目前的鋰離子電池技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中仍存在較多的問題,其中鋰枝晶生長是影響鋰離子電池安全性和穩(wěn)定性的根本問題之一。鋰枝晶在生長過程中會不斷消耗電解液并導(dǎo)致金屬鋰的不可逆沉積,形成死鋰造成庫倫效率的降低;鋰枝晶的形成甚至還會刺穿隔膜導(dǎo)致鋰離子電池內(nèi)部短接,造成電池的熱失控引發(fā)燃燒爆炸。因此如何高效安全地抑制鋰枝晶生長問題具有重要的研究價(jià)值。目前,在眾多抑制鋰枝晶生長的方案中,以下幾種方案獲得了廣泛認(rèn)可:1.調(diào)控負(fù)極表面的粗糙度,例如使用添加劑包覆凸起表面;2.使負(fù)極顆粒的尺寸小于臨街的動力學(xué)曲率半徑;3.電鍍電位的選擇低于臨界值,并改善充放電機(jī)制,例如使用脈沖方式;4.電沉積潤濕性的調(diào)控等。本文使用多物理場耦合方法模擬研究鋰枝晶形成的過程中,電場和鋰離子濃度以及電極表面之間的關(guān)系。建立二維鋰離子電池簡化模型,采用Bulter-Volmer方程描述電極的電化學(xué)反應(yīng),Nernst-Planck方程計(jì)算離子通量。在模擬充電過程中,粗糙的陽極表面引起電場分布不均,突起尖端電場較強(qiáng),電池內(nèi)部鋰離子濃度分布明顯不均勻。由于陰極發(fā)生氧化反應(yīng),陽極發(fā)生還原反應(yīng),陰極鋰離子濃度會明顯高于陽極。針對電極表面突起大小、充電電壓、電流密度、工作溫度、以及電解液濃度等研究分析電極表面鋰枝晶沉積厚度的影響因素,結(jié)果表明接觸角和接觸半徑越小,即陽極表面越粗糙,鋰沉積厚度反而越大,充電電壓,電流密度以及電解液濃度的增大也會使沉積厚度增大,而突起位置沉積厚度會隨著工作溫度的增大而減小,與他人實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果基本吻合。在研究鋰枝晶形成影響因素的基礎(chǔ)下,我們提出陽極網(wǎng)狀屏蔽結(jié)構(gòu)的設(shè)想。由于屏蔽網(wǎng)的存在,屏蔽網(wǎng)與陽極之間電場被屏蔽,形成無場空間,電極表面附近鋰離子濃度趨向均勻,從而產(chǎn)生抑制鋰枝晶形成的效果。陽極表面突起和光滑位置鋰沉積厚度研究的結(jié)果證實(shí),該設(shè)想在理論模擬中有效。另外,我們研究討論了屏蔽網(wǎng)目數(shù)和與陽極的間距對抑制效果的影響。結(jié)果表明,屏蔽網(wǎng)目數(shù)的提高以及與陽極表面間距的增加都能夠提高電極表面區(qū)域電場屏蔽的效果。將電場屏蔽區(qū)域設(shè)置為距離電極表面30μm的空間,當(dāng)屏蔽網(wǎng)目數(shù)為400目,與陽極間距為300μm時(shí),屏蔽效果最佳。
【學(xué)位授予單位】：江蘇大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：TM912
【圖文】：

. 充電過程充電過程中，陰極材料 (如：LiCoO2) 被氧化，鋰離子從陰極層狀經(jīng)由隔膜穿過電解質(zhì)然后穿過電解質(zhì)重新插層到陽極石墨層之中圖 1.1 為鋰離子電池充放電過程中工作原理圖。其中當(dāng)電池在充放正負(fù)極反應(yīng)如下：極（陰極）反應(yīng)： uull u lu放電充電u 極（陽極）反應(yīng)： u放電充電l u lu的可逆氧化還原反應(yīng)： u放電充電u

當(dāng)參數(shù)和 x+δ=1 時(shí)，石墨中所嵌入的鋰的含量達(dá)到陽極還原反應(yīng)繼續(xù)進(jìn)行，負(fù)極中待插入的鋰的量比石墨可吸收的，后來的鋰離子就會從負(fù)極得到電子，在陽極表面開始沉積。由不光滑，凸起位置會存在尖端效應(yīng)，具有較高的電場。此時(shí)鋰離凸起尖端，促進(jìn)負(fù)極還原反應(yīng)，加速凸起位置的鋰沉積，從而產(chǎn)鋰金屬電池中，鋰枝晶的生長對其循環(huán)性能具有較大影響[5,6]。由不光滑導(dǎo)致鋰離子沉積不均勻。而對于一個(gè)已經(jīng)商業(yè)化的鋰電池度通常都會非常大，如果因?yàn)殛枠O表面的不光滑，而在部分凸起的電流密度，則導(dǎo)致的鋰枝晶問題將會非常嚴(yán)重[7]。此，枝晶生長給金屬鋰負(fù)極帶來的問題主要有以下五個(gè)方面 (圖

【相似文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前10條

1 王懷志;張殿喜;王智平;馮力;;對流對枝晶生長影響的數(shù)值模擬研究進(jìn)展[J];材料導(dǎo)報(bào);2009年S1期

2 黃aF,周堯和;低熔化熵晶體中的生長孿晶與孿生枝晶[J];材料科學(xué)進(jìn)展;1988年06期

3 黃aF,毛協(xié)民,周堯和,魯?shù)卵?毛志英;擴(kuò)散控制的強(qiáng)制性枝晶凝固[J];西北工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào);1988年02期

4 郭俊清;李慶春;;深度過冷合金凝固的研究進(jìn)展[J];材料科學(xué)與工程;1988年03期

5 黃aF;魯?shù)卵?周堯和;;強(qiáng)制性枝晶的側(cè)向分枝[J];西北工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào);1988年01期

6 劉立新;安閣英;李慶春;;一次間距調(diào)整機(jī)理探討[J];金屬科學(xué)與工藝;1988年04期

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本文編號：2741662