本文關(guān)鍵詞：應(yīng)力及材料塑性變形對(duì)鋰離子電池性能的影響

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【摘要】：鋰離子電池具有能量密度高、壽命長(zhǎng)、對(duì)環(huán)境友好等優(yōu)點(diǎn),在通訊、交通運(yùn)輸、國(guó)防等領(lǐng)域都得到了廣泛的應(yīng)用,是一種非常有潛力的電池。然而,電極材料力學(xué)性能的退化是限制鋰離子電池性能的關(guān)鍵因素之一。在鋰離子電池充放電過(guò)程中,鋰離子進(jìn)出電極,使得電極發(fā)生變形、產(chǎn)生應(yīng)力,造成電極破壞并最終導(dǎo)致電池的失效。因此研究鋰離子電池的力學(xué)相關(guān)問(wèn)題是非常有必要的。本文主要研究鋰離子電池充、放電過(guò)程中電極應(yīng)力以及集流器塑性變形對(duì)電池電化學(xué)性能的影響,具體工作大致分為三個(gè)方面:集流器的塑性變形對(duì)對(duì)稱層狀電極應(yīng)力和性能的影響,集流器的塑性屈服對(duì)雙層電極變形和應(yīng)力的影響,以及應(yīng)力耦合對(duì)電極鋰化電化學(xué)反應(yīng)的影響。本文第一部分研究充放電循環(huán)中集流器的塑性變形對(duì)對(duì)稱層狀電極應(yīng)力的影響。根據(jù)電極的應(yīng)力演變,可以發(fā)現(xiàn)集流器在充放電循環(huán)中可能發(fā)生三種彈塑性變形情況,即純彈性變形、塑性安定、循環(huán)塑性。根據(jù)彈塑性本構(gòu)關(guān)系以及屈服準(zhǔn)則,我們提出了區(qū)分這三種情況的臨界條件。研究發(fā)現(xiàn),將集流器厚度設(shè)計(jì)得薄,并允許其在充放電循環(huán)中發(fā)生塑性變形,不僅可使活性層獲得更多的空間從而提升電極的容量,而且也可使活性層的應(yīng)力顯著降低從而提高電化學(xué)穩(wěn)定性。在塑性安定的情況下,電極的電化學(xué)性能根據(jù)之前的討論可以獲得一定的提高,同時(shí),由于集流器僅在第一次加載中發(fā)生塑性屈服,電極結(jié)構(gòu)可以保持良好的安全性。在循環(huán)塑性的情況下,雖然集流器可以設(shè)計(jì)得更薄從而更大幅度地提高電極電化學(xué)性能,但是由于集流器在每一次加載和卸載中都發(fā)生塑性屈服,電極的循環(huán)壽命將大大地降低。在電極的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí),前一種情況根據(jù)塑性安定的臨界條件來(lái)確定,而后一種情況則根據(jù)預(yù)期的循環(huán)壽命通過(guò)Coffin-Manson關(guān)系來(lái)確定。本文第二部分討論集流器的塑性對(duì)雙層電極變形和應(yīng)力的影響。由于結(jié)構(gòu)的非對(duì)稱性,雙層電極在充放電過(guò)程中會(huì)發(fā)生彎曲變形。通過(guò)測(cè)量彎曲曲率可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電池的一系列信息,如充電狀態(tài)和材料屬性變化等。因此,研究雙層電極的變形對(duì)于電化學(xué)實(shí)驗(yàn)具有重要的意義。雙層電極在鋰化過(guò)程中,集流器可能經(jīng)歷三個(gè)階段,即純彈性階段、彈塑性共存階段、完全塑性階段。通過(guò)彈塑性本構(gòu),我們得到這三個(gè)階段各自的曲率解析表達(dá)式,并提出區(qū)分這三個(gè)階段的臨界條件。研究發(fā)現(xiàn),在鋰化過(guò)程中,一旦集流器發(fā)生屈服,集流器的塑性變形可導(dǎo)致電極彈性能的耗散,使得曲率增幅明顯減緩。同時(shí)我們還對(duì)雙層電極進(jìn)行電化學(xué)實(shí)驗(yàn),實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電極曲率的演變情況。最終實(shí)驗(yàn)獲得的電極曲率演變結(jié)果與計(jì)算模擬能夠較好地吻合。最后,本文研究了應(yīng)力耦合對(duì)鋰離子電池電極嵌/脫鋰電化學(xué)反應(yīng)的影響�；趥鹘y(tǒng)的忽略應(yīng)力的描述電極反應(yīng)動(dòng)力學(xué)過(guò)程的Butler-Volmer模型,我們?cè)陔娀瘜W(xué)反應(yīng)的自由能體系中引入由電極活性材料鋰化變形和應(yīng)力所引起的彈性能,進(jìn)而綜合考慮力電耦合情況下系統(tǒng)自由能的改變對(duì)正向和逆向反應(yīng)活化能的影響,最終獲得電化學(xué)反應(yīng)速率以及由其控制的電流密度,建立考慮應(yīng)力耦合的修正電化學(xué)反應(yīng)模型。研究發(fā)現(xiàn),對(duì)電極施以壓應(yīng)力可以提高活性材料的自由能,提高鋰化反應(yīng)方向的活化能能壘,從而阻礙鋰離子由電解液向活性材料的嵌入。最后,根據(jù)獲得的修正Butler-Volmer模型,針對(duì)硅薄膜電極和球狀顆粒電極的恒流鋰化過(guò)程,我們進(jìn)行了兩個(gè)算例的模擬研究,發(fā)現(xiàn)電極表面的壓應(yīng)力造成電極的鋰化電勢(shì)下降,產(chǎn)生過(guò)電勢(shì),對(duì)鋰化反應(yīng)具有較為顯著的阻礙作用。而且電極的壓應(yīng)力對(duì)鋰化反應(yīng)的影響程度是與鋰化速率和顆粒尺寸相關(guān)的。鋰化速率增大,顆粒尺寸變大都使得電極表面壓應(yīng)力增大,從而導(dǎo)致更大的過(guò)電勢(shì),提高電極鋰化反應(yīng)的難度。
【關(guān)鍵詞】：鋰離子電池 應(yīng)力 塑性變形 Butler-Volmer模型
【學(xué)位授予單位】：上海大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：TM912;O344
【目錄】：

• 摘要6-8
• ABSTRACT8-13
• 第一章 緒論13-25
• 1.1 背景和研究意義13-16
• 1.2 鋰離子電池16-21
• 1.2.1 基本術(shù)語(yǔ)16-17
• 1.2.2 鋰離子電池基礎(chǔ)17-21
• 1.3 國(guó)內(nèi)外的研究概況21-24
• 1.4 論文的主要研究?jī)?nèi)容24-25
• 第二章 集流器的塑性變形對(duì)對(duì)稱層狀電極應(yīng)力和性能的影響25-47
• 2.1 問(wèn)題描述與基本理論25-36
• 2.1.1 擴(kuò)散模型27-31
• 2.1.2 力學(xué)模型31-36
• 2.2 屈服準(zhǔn)則，塑性安定和循環(huán)塑性36-38
• 2.3 集流器的塑性對(duì)電極的擴(kuò)散應(yīng)力的影響38-43
• 2.4 塑性屈服43-45
• 2.5 小結(jié)45-47
• 第三章 集流器的塑性屈服對(duì)雙層電極變形和應(yīng)力的影響47-62
• 3.1 問(wèn)題描述與基本理論47-53
• 3.2 屈服準(zhǔn)則，，彈塑性區(qū)共存和完全塑性53-56
• 3.2.1 純彈性階段53-54
• 3.2.2 彈、塑性區(qū)共存階段54-55
• 3.2.3 完全塑性階段55-56
• 3.3 結(jié)果與討論56-59
• 3.4 實(shí)驗(yàn)59-61
• 3.5 小結(jié)61-62
• 第四章 應(yīng)力耦合對(duì)電極鋰化的電化學(xué)反應(yīng)的影響62-79
• 4.1 問(wèn)題描述與基本理論62-64
• 4.2 Butler-Volmer模型的修正64-68
• 4.3 算例及討論68-78
• 4.3.1 模擬硅薄膜電極并與實(shí)驗(yàn)對(duì)比68-71
• 4.3.2 球狀顆粒的模擬71-78
• 4.4 小結(jié)78-79
• 第五章 結(jié)論與展望79-82
• 5.1 結(jié)論79-81
• 5.2 展望81-82
• 參考文獻(xiàn)82-93
• 作者在攻讀碩士學(xué)位期間公開(kāi)發(fā)表的論文93-94
• 作者在攻讀碩士學(xué)位期間所作的項(xiàng)目94-95
• 致謝95

【參考文獻(xiàn)】

中國(guó)期刊全文數(shù)據(jù)庫(kù) 前1條

1 陳朝陽(yáng);章金晶;杭先霞;汪業(yè)喜;;鋰離子電池用電解銅箔的斷裂研究[J];電源技術(shù);2010年05期

本文編號(hào)：998294