適用于電極材料的電化學(xué)擴(kuò)散誘發(fā)應(yīng)力松弛機(jī)制研究.pdf

1、鋰離子電池具有容量大、比能量大、無記憶效應(yīng)、循環(huán)壽命長等優(yōu)點(diǎn)，已被廣泛應(yīng)用到便攜式電子產(chǎn)品、電動交通工具、大型動力電源等領(lǐng)域。然而鋰離子電池的制造技術(shù)仍面臨著一些的難題，主要是老化問題。隨著使用時間增長，鋰離子反復(fù)嵌入和脫出電極活性材料，引起相變和體積變化，由此產(chǎn)生較大的應(yīng)力，從而導(dǎo)致電極材料力學(xué)性能的劣化，斷裂和失去結(jié)構(gòu)的完整性以及電極中活性物質(zhì)的流失。為了防止鋰離子電池力學(xué)性能的下降，有必要定量地理解鋰化反應(yīng)引起的化學(xué)響應(yīng)機(jī)制和電極

2、材料的力學(xué)性能。
　　本文基于連續(xù)介質(zhì)力學(xué)的理論，發(fā)展一套適合于描述電極鋰化反應(yīng)過程中應(yīng)力松弛機(jī)制的具有普遍適用性的理論模型。該模型考慮發(fā)生在電極材料上的質(zhì)量傳輸、變形和應(yīng)力演化過程，化學(xué)濃度和位移場作為獨(dú)立變量來描述擴(kuò)散‐力間的耦合作用，采用經(jīng)典的Cahn-Hilliard擴(kuò)散理論來描述鋰離子的嵌入行為，而基于有限變形理論來描述由于離子在電極材料中質(zhì)量傳輸引起的變形。與此同時，發(fā)展一套混合有限元數(shù)值計算方案來求解該理論模型，并在

3、商用有限元軟件ABAQUS的計算平臺上，開發(fā)了與之適應(yīng)的計算模塊。在此基礎(chǔ)上，以具有橄欖石結(jié)構(gòu)的LiFePO4電極材料為例，數(shù)值研究了鋰離子在方形和圓形兩類常用電極嵌入過程中復(fù)雜的力化學(xué)現(xiàn)象。通過考察鋰化過程中鋰離子濃度、應(yīng)力及充電狀態(tài)SOC值的變化規(guī)律系統(tǒng)定量地研究了電極工作過程中的力、化、擴(kuò)散間的耦合作用機(jī)制。
　　以硅薄膜電極結(jié)構(gòu)優(yōu)化的思想為基礎(chǔ)，將圓形平面電極中心處摳一個直徑較小的孔進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，以實(shí)現(xiàn)減小電極變形，釋放集