鋰離子電池在工作中具有優(yōu)良的性能,在眾多領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。在充放電過程中,鋰離子在電極與電解液之間反復(fù)嵌入與脫嵌使得電極材料內(nèi)部力學(xué)性能改變;與此同時(shí),電極材料在受到外力場作用時(shí)會(huì)引起電極材料內(nèi)部力場、濃度場和鋰離子擴(kuò)散速率等的改變,從而影響鋰離子電池的電化學(xué)性能。因此研究力對(duì)電極材料電化學(xué)性能的影響具有重要意義,但目前相關(guān)研究主要集中在內(nèi)應(yīng)力,而實(shí)際應(yīng)用中電極材料不可避免的會(huì)受到外應(yīng)力場的約束。所以,論文基于熱力學(xué)理論,結(jié)合菲克第一定律與Arrhenius動(dòng)力學(xué)方法,構(gòu)建了鋰離子電池電極材料含外力的力-化學(xué)耦合理論框架,并建立了相關(guān)的有限元模型,分析了外力場對(duì)鋰離子電池電極材料力場、濃度場、電極容量等性能的影響。本文以石墨電極為研究對(duì)象,主要研究內(nèi)容及結(jié)論如下:(1)基于熱力學(xué)理論與菲克第一定律,建立了含外力場的鋰離子流入電極材料力-化學(xué)耦合理論框架,構(gòu)建了無限長電極和有限長電極兩種電極模型。研究發(fā)現(xiàn),在無外力狀態(tài)時(shí),電極材料靜水應(yīng)力為壓應(yīng)力,且壓應(yīng)力越大,濃度越低,同時(shí)發(fā)現(xiàn)無限長電極表面的靜水應(yīng)力和濃度的分布是均勻的,而有限長電極表面的靜水應(yīng)力和濃度的分布是非均勻的,內(nèi)應(yīng)力差異導(dǎo)致有限長電極的電極容量高于無限長電極的電極容量。(2)研究了邊界力對(duì)有限長電極和無限長電極力學(xué)、電化學(xué)性能的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn),邊界壓力使得電極靜水壓應(yīng)力增大,濃度減小;邊界拉力使得電極靜水壓應(yīng)力減小,濃度增大;邊界拉力可以增大電極的電極容量,促進(jìn)離子擴(kuò)散。反之,邊界壓力降低電極容量,抑制離子擴(kuò)散。(3)研究了均勻應(yīng)力和梯度應(yīng)力對(duì)電極材料電極力學(xué)、電化學(xué)性能的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn),徑向均勻拉應(yīng)力會(huì)增強(qiáng)離子擴(kuò)散速率,增加電極的容量;而軸向均勻拉應(yīng)力會(huì)降低離子輸運(yùn)速率,降低電極容量,均勻壓應(yīng)力結(jié)果與拉應(yīng)力相反。徑向梯度拉應(yīng)力使靜水應(yīng)力減小,離子擴(kuò)散速率增加,增大電極容量;軸向梯度拉應(yīng)力使靜水應(yīng)力增加,離子擴(kuò)散速率減少,減小電極容量;梯度壓應(yīng)力與拉應(yīng)力相反。同時(shí)發(fā)現(xiàn)均勻應(yīng)力比梯度應(yīng)力影響更大,沿徑向應(yīng)力比軸向應(yīng)力影響更大。(4)研究了均勻應(yīng)變和梯度應(yīng)變對(duì)電極材料電極力學(xué)、電化學(xué)性能的影響。研究發(fā)現(xiàn)均勻壓應(yīng)變和梯度壓應(yīng)變都會(huì)使靜水應(yīng)力減小,離子擴(kuò)散速率增大,增加電極的容量;拉應(yīng)變的作用效果與之相反。對(duì)比均勻應(yīng)變與梯度應(yīng)變對(duì)電極性能的影響,發(fā)現(xiàn)均勻應(yīng)變比梯度應(yīng)變影響更大。
【學(xué)位單位】：湘潭大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位年份】：2019
【中圖分類】：TM912
【部分圖文】：

可以有效的利用空間，主要用于手機(jī)，數(shù)碼相機(jī)等一些電子產(chǎn)品，方；紐扣常用于對(duì)電壓、容量要求不高的領(lǐng)域，如手表等，此外紐扣式電池由于便于常用于科研研發(fā)測(cè)試[22-27]；薄膜式電池[28,29]多用于衛(wèi)星電子設(shè)備，可以有小體積，利用空間。以方形石墨鋰離子電池為例，鋰離子電池的結(jié)構(gòu)如圖 1。

圖 1.2 鋰離子電池工作原理示意圖電池的特點(diǎn)相比于其他二次電池，具有以下優(yōu)點(diǎn)[34]：，鋰離子電池的體積比能量大約在 250 - 400 Wh·-1)的 5 倍，是鎳鎘電池(130 - 150 Wh·L-1)的 2 - 3 倍量。，在鋰離子電池的首次工作中，會(huì)在電極材料表面EI 膜，它可以有效的通過離子，但不能通過電子，盡可能多的保持電量，延長使用壽命。，正常情況下，鋰離子電池的循環(huán)壽命大約有 500命只有 400-600(次)，所以鋰離子電池對(duì)比其他二，鋰離子電池的放電平臺(tái)一般為 3.6 - 3.7 V，而鉛鎳鎘電池，鎳氫電池的工作電壓在 1.2V 左右，鋰

成本價(jià)格都比較昂貴。子電池中的力及其關(guān)聯(lián)問題電池需要在較小的空間內(nèi)儲(chǔ)存大量的能量，并且需要在短電過程，這就對(duì)鋰離子電池的電化學(xué)性能和力學(xué)性能提出電池電極材料內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)力的原因有很多，主要包括：(1)電受到自身的約束，或受到相鄰原子的限制，導(dǎo)致活性材料體產(chǎn)生了應(yīng)力，這是電極內(nèi)部應(yīng)力的主要來源，如圖 1.3(a)；電池內(nèi)部空間的約束，或者集流體的約束，進(jìn)而產(chǎn)生了失配 1.3(b)、；(3)伴隨著鋰離子的輸運(yùn)過程，產(chǎn)生鋰化相，鋰化度梯度，產(chǎn)生了失配約束，這種失配約束與濃度梯度都是產(chǎn)]，如圖 1.3(c)；(4)電池在工作過程中還會(huì)有熱的產(chǎn)生，由于膨脹受到約束，在電極材料內(nèi)也會(huì)產(chǎn)生熱應(yīng)力[40-43]。材料的制鋰離子電池發(fā)展的重要因素之一。
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