負極材料是鋰離子電池重要組成部分,目前普遍使用的石墨負極材料,其較低的比容量不能滿足當(dāng)前發(fā)展需求,鍺材料由于擁有高容量、高電導(dǎo)率以及高倍率性能等優(yōu)勢吸引了人們的注意,但它也存在明顯力學(xué)缺陷:隨著充放電過程的進行,鍺負極材料會發(fā)生大的體積變形（>270%）,從而導(dǎo)致材料的失效破壞,引發(fā)其電化學(xué)性能退化。雖然目前針對這一問題的改進研究有很多,但鍺負極材料隨著鋰化過程發(fā)生破壞失效的機理并不明朗,要解決鍺負極材料性能衰退問題,對材料力學(xué)破壞失效的研究非常必要。而這一方面的研究非常缺乏,只有極少數(shù)研究被報道。本文基于第一性原理方法,建立了鍺材料不同鋰含量的相變鋰化模型,旨在明確高容量鍺負極材料鋰化過程中的彈性性能演化規(guī)律及失效破壞機理,在彈性限度內(nèi)研究了鋰鍺合金隨著鋰含量增加的力學(xué)性能變化,并對鋰化過程中化學(xué)鍵的變化,電荷轉(zhuǎn)移情況等進行了分析;在施加大的應(yīng)變載荷下,研究了鋰鍺合金的抗變形強度,得到了以下創(chuàng)新性研究成果:（1）隨著鍺材料鋰化過程的進行,形成的Li-Ge合金相均具有熱力學(xué)穩(wěn)定性和力學(xué)穩(wěn)定性,并且富鋰相更容易生成,其體模量、剪切模量、楊氏模量等彈性性質(zhì)均隨著鋰含量的增加呈近似線性... 

【文章來源】：湘潭大學(xué)湖南省

【文章頁數(shù)】：68 頁

【學(xué)位級別】：碩士

【部分圖文】：

圖１．２?ＧｅＮＷｓ鋰化相變過程［７５］??

?ｉｌｌ?ＩＩ?ＩＬＬ??圖１．２?ＧｅＮＷｓ鋰化相變過程［７５］??根據(jù)Ｇｅ電極材料鋰化相變的現(xiàn)象，Ｍ．Ｐｈａｎ？等建立了相變鋰化模型，對Ｇｅ電極??材料鋰化過程中彈性力學(xué)性能做了研宂，測量了在鋰化過程中鍺薄膜內(nèi)部產(chǎn)生的應(yīng)力。??應(yīng)力測量結(jié)果表明，ＵｃＧｅ相的彈性模量是鋰離子濃度的函數(shù)，即使是少量的鋰插入到??Ｇｅ中，也會導(dǎo)致彈性模量的巨大變化。鋰離子濃度的進一步增加會導(dǎo)致彈性模量的逐漸??變化，表明與純Ｇｅ相比，其剛度大大降低。此外，還觀察到較薄的鍺薄膜在鋰化和脫??鋰的循環(huán)中性能保持了下來，而較厚的薄膜則發(fā)生了斷裂。??８００，?．?．．．?Ｉ?．．．．?Ｉ?Ｉ?．?｜?Ｉ?Ｉ?Ｉ?Ｉ?｜?Ｉ?Ｔ７?Ｔｆｌ－Ｉ?Ｉ?．?｜?，?Ｉ?Ｉ?，?．?Ｉ?．?Ｉ??６００－?－??�。�??＾?－４００?＼?＾?－??６〇０?｜＝３°Ｓ?Ｉ?：??－８００?－?—１１６０?ｎｍ?￣??＊１?ＯｆｌＯ?ｉｉｉｉｌｉｉｉｉｌｉｉｉｉｌｉｉｉｉｌｉｉｉｉｌｉｉｉｉｌｉｉｉｉｌｉｉｉｉ??＂?０?０．５?１．０?１．５?２．０?２．５?３．０?３．５?４．０??ｘｉｎＬｉｘＧｅ??圖１．３各種厚度的Ｇｅ薄膜應(yīng)力作為鋰離子濃度的函數(shù)。對于較厚的薄膜來說

鋰嵌入后，初始Ｇｅ晶體經(jīng)歷了兩步相變過程：形成中間相ＬｉＡ．Ｇｅ和最終晶相??Ｌｉ１５Ｇｅ４。納米孔是在脫鋰過程中形成的，涉及到鋰萃取產(chǎn)生的空位的聚集。對具有可逆??多孔結(jié)構(gòu)的Ｇｅ納米線進行了快速循環(huán)實驗。圖１．５是ＧｅＮＷ在循環(huán)過程中的微觀結(jié)構(gòu)??演變（ａ－ｈ），在連續(xù)四次脫嵌鋰循環(huán)中可逆體積的變化。在每一次鋰化過程中，納米線都??被加粗，呈晶態(tài)對比（３，＾名）。每次脫鋰后，納米線收縮形成多孔，呈現(xiàn)非晶態(tài)對比〇），狀１１），??納米孔的位置和分布幾乎沒有變化。??２ｎｄ?ｌｉｔｈｉａｔｅｄ?２ｎｄ?ｄｅｌｉｔｈｉａｔｅｄ?ｊＡ??３，ｄ?ｍｈｌａｔｅｄ?３ｆｄ?ｄｅｌｉｔｈｉａｔｅｄ??４，ｈ?ｌｉｔｈｉａｔｅｄ?＾?４ｔｈ?ｄｅｌｉｔｈｉａｔｅｄ??Ｋ?５－Ｍｉｔｈｌａ．ｅｃｌ?遍?．?ｆｆ？ｄｅｌ?隨?ｅｄ??一??圖１．５?ＧｅＮＷ在循環(huán)過程中的微觀結(jié)構(gòu)演變（ａ－ｈ）ｌ？??９??

【參考文獻】：
期刊論文
[1]Lithiation-enhanced charge transfer and sliding strength at the silicon-graphene interface:A first-principles study[J]. Cheng Chang,Xiaoyan Li,Zhiping Xu,Huajian Gao.  Acta Mechanica Solida Sinica. 2017(03)
[2]物理截斷與電子局域函數(shù)結(jié)合法研究非晶態(tài)結(jié)構(gòu)中的原子成鍵[J]. 王鑫洋,陳念科,王雪鵬,張斌,陳志紅,李賢斌,劉顯強.  物理學(xué)報. 2016(17)
[3]二氧化錫/石墨復(fù)合負極材料制備與電化學(xué)性能[J]. 周永濤,楊學(xué)林,黃晨,石長川,溫兆銀.  電源技術(shù). 2014(06)
[4]石墨烯/硅負極材料的制備及其電化學(xué)性能的研究[J]. 杜霞,薛衛(wèi)東,趙睿,陳野川.  化工科技. 2013(05)
[5]鋰離子電池中的尺寸效應(yīng)與表界面問題研究[J]. 李泓,王兆翔,黃學(xué)杰,陳立泉.  物理. 2008(06)
[6]LiAl中空位形成能的第一原理計算[J]. 陳麗娟,侯柱鋒,朱梓忠,楊勇.  物理學(xué)報. 2003(09)
[7]鋰電池負極材料CuSn的電子和幾何結(jié)構(gòu)[J]. 吳良根,李愛玉,朱梓忠.  化學(xué)物理學(xué)報. 2003(03)
[8]鋰離子電池負極材料CuSn的Li嵌入性質(zhì)的研究[J]. 侯柱鋒,劉慧英,朱梓忠,黃美純,楊勇.  物理學(xué)報. 2003(04)



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