本文關(guān)鍵詞：鋰離子電池活性材料嵌鋰狀態(tài)下的失效破壞理論模型

  更多相關(guān)文章： 鋰離子電池 活性材料 理論模型 失效破壞

【摘要】：鋰離子電池活性材料是決定鋰離子電池性能與壽命的核心材料。目前商業(yè)化應(yīng)用的鋰離子電池的活性材料是LiCOO2(正極)和石墨(負(fù)極),它們的嵌鋰容量都相對(duì)較低,已經(jīng)不能滿足人們對(duì)鋰離子電池能量密度高、壽命長(zhǎng)的需求,尋求性能更為優(yōu)異的新型活性材料已經(jīng)迫在眉睫。然而容量高的活性材料(例如Si,Sn,Al,Li FePO4)又存在一個(gè)共同的科學(xué)問(wèn)題—體積變形大,即在鋰化和退鋰化過(guò)程中的巨大體積變化(膨脹和收縮)會(huì)使材料產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力,反復(fù)循環(huán)會(huì)造成損傷效應(yīng)的累積,進(jìn)而降低循環(huán)性能,最終導(dǎo)致電極材料失效。為了解決上述問(wèn)題,本論文根據(jù)活性材料失效破壞的微觀機(jī)理,從材料尺寸、嵌鋰狀態(tài)與產(chǎn)生裂紋破壞的關(guān)系出發(fā),采用理論建模和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證相結(jié)合的研究方法,建立了一系列不同結(jié)構(gòu)的活性材料理論模型,找到了活性材料破壞的臨界尺寸并得以實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。本論文主要的研究?jī)?nèi)容和創(chuàng)新點(diǎn)如下:1.建立了薄膜材料失效破壞理論模型,以Si和Sn材料為研究對(duì)象,得到了Si薄膜在嵌鋰滿態(tài)的臨界破壞尺寸為33 nm,Sn薄膜在嵌鋰滿態(tài)的臨界破壞尺寸為15μm,且得到了薄膜尺寸與嵌鋰狀態(tài)的臨界破壞曲線,建立了薄膜活性材料在不同嵌鋰狀態(tài)下的失效機(jī)制圖。2.建立了實(shí)心材料失效破壞理論模型,包括納米線模型和實(shí)心球模型,引入Si的材料參數(shù),得到了Si納米線在嵌鋰滿態(tài)的臨界破壞尺寸為70 nm,Si實(shí)心球在嵌鋰滿態(tài)的臨界破壞半徑尺寸為90 nm,進(jìn)而也得到了納米線/實(shí)心球在不同嵌鋰狀態(tài)和材料尺寸條件下的臨界破壞曲線。3.建立了空心材料充分利用理論模型,包括空心管模型和空心球模型,以Si和Sn材料為研究對(duì)象,得到了硅空心管和硅空心球達(dá)到充分利用的尺寸之比(D/h)分別為0.15和0.10,錫空心管和錫空心球達(dá)到充分利用的尺寸之比(D/h)分別為0.18和0.12。最終得到了空心管尺寸/空心球粒徑與嵌鋰狀態(tài)的充分利用臨界曲線,建立了空心材料在不同嵌鋰狀態(tài)下的充分利用分布圖。4.通過(guò)鍍錫薄膜實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了Sn薄膜在充滿態(tài)的臨界破壞尺寸為10μm。采用電鍍法,控制電鍍時(shí)間,在銅基底上電鍍生長(zhǎng)出不同厚度的Sn薄膜(10μm、18μm、26μm、35μm),通過(guò)控制充電時(shí)達(dá)到不同嵌鋰狀態(tài)來(lái)控制其SOC,觀察得到10μm厚的錫薄膜在SOC=1時(shí)破壞,18μm、26μm厚的錫薄膜分別在SOC=0.72、SOC=0.5時(shí)破壞,35μm則在SOC=0.36時(shí)就破壞,這與理論臨界曲線基本吻合。
【關(guān)鍵詞】：鋰離子電池 活性材料 理論模型 失效破壞
【學(xué)位授予單位】：湘潭大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：TM912
【目錄】：

• 摘要4-5
• Abstract5-9
• 第一章 緒論9-25
• 1.1 引言9-10
• 1.2 鋰離子電池概述10-13
• 1.2.1 鋰離子電池發(fā)展簡(jiǎn)史10-11
• 1.2.2 鋰離子電池組織構(gòu)造和反應(yīng)原理11-12
• 1.2.3 鋰離子電池的特點(diǎn)12-13
• 1.3 鋰離子電池活性材料的研究進(jìn)展13-15
• 1.3.1 電池正極材料13-14
• 1.3.2 電池負(fù)極材料14-15
• 1.4 鋰離子電池活性材料失效破壞的研究現(xiàn)狀15-23
• 1.4.1 脫嵌鋰過(guò)程中活性材料的擴(kuò)散應(yīng)力15-18
• 1.4.2 活性材料中擴(kuò)散應(yīng)力的原位觀察18-20
• 1.4.3 活性材料中擴(kuò)散應(yīng)力的數(shù)值計(jì)算20-21
• 1.4.4 活性材料中擴(kuò)散應(yīng)力的理論模型21-23
• 1.5 本論文的主要研究?jī)?nèi)容及意義23-25
• 第二章 鋰離子電池活性材料失效破壞理論模型的建立25-36
• 2.1 引言25
• 2.2 薄膜活性材料失效破壞理論模型的建立25-27
• 2.3 實(shí)心活性材料失效破壞理論模型的建立27-30
• 2.3.1 二維納米線模型27-29
• 2.3.2 三維納米球模型29-30
• 2.4 空心活性材料充分利用理論模型的建立30-35
• 2.4.1 二維納米管模型31-33
• 2.4.2 三維納米球模型33-35
• 2.5 本章小結(jié)35-36
• 第三章 實(shí)驗(yàn)過(guò)程與實(shí)驗(yàn)方法36-44
• 3.1 引言36
• 3.2 實(shí)驗(yàn)原料與試劑36-37
• 3.3 實(shí)驗(yàn)儀器與設(shè)備37-38
• 3.4 電鍍法制備薄膜負(fù)極材料38-40
• 3.4.1 電鍍?cè)?/span>38-39
• 3.4.2 電鍍流程39-40
• 3.5 薄膜形貌及結(jié)構(gòu)表征分析40-41
• 3.5.1 掃描電子顯微鏡(SEM)分析41
• 3.5.2 X射線衍射(XRD)分析41
• 3.5.3 透射電子顯微鏡(TEM)分析41
• 3.6 鋰離子電池的組裝41-42
• 3.7 鋰離子電池的電化學(xué)性能測(cè)試42-43
• 3.8 嵌鋰后實(shí)驗(yàn)電池活性材料的測(cè)試分析43
• 3.9 本章小結(jié)43-44
• 第四章 鋰離子電池失效破壞理論模型的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證44-57
• 4.1 薄膜活性材料失效破壞模型的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證44-52
• 4.1.1 鍍錫薄膜的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證44-50
• 4.1.2 硅薄膜的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證50-52
• 4.2 實(shí)心活性材料失效破壞理論模型的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證52-54
• 4.2.1 納米線的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證52-53
• 4.2.2 納米球的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證53-54
• 4.3 空心活性材料充分利用理論模型的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證54-56
• 4.4 本章小結(jié)56-57
• 第五章 總結(jié)與展望57-59
• 5.1 工作總結(jié)57-58
• 5.2 工作展望58-59
• 參考文獻(xiàn)59-65
• 致謝65-66
• 個(gè)人簡(jiǎn)歷、在校期間發(fā)表的學(xué)術(shù)論文與研究成果66

【共引文獻(xiàn)】

中國(guó)期刊全文數(shù)據(jù)庫(kù) 前10條

1 馬勝利,井曉天,葛利玲,盧正欣;電沉積過(guò)程對(duì)Fe-0.5Ni合金基體Au-Rh配套鍍層龜裂的影響[J];兵器材料科學(xué)與工程;1999年01期

2 楊建明,朱荻,曲寧松;電鑄納米晶鎳錳合金的性能研究[J];兵器材料科學(xué)與工程;2004年06期

3 曾磊;徐賽生;張立鋒;張瑋;張衛(wèi);汪禮康;;集成電路銅互連線脈沖電鍍研究[J];半導(dǎo)體技術(shù);2006年05期

4 喬貞美;席文君;朱春雷;賈傲;;電鍍法制備超疏水性銅表面[J];北京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào);2008年12期

5 黃錦濱,朱寶亮,劉家浚,鄭林慶,林力,張嗣偉;原子力顯微鏡下稀土元素對(duì)鎳基刷鍍層生長(zhǎng)形貌影響的研究[J];中國(guó)表面工程;1999年01期

6 劉萬(wàn)方,朱建明;滾鍍硬鉻工藝[J];表面技術(shù);1996年01期

7 劉建國(guó),陳存華,鄭家q，

本文編號(hào)：947248