适用于电极材料的电化学扩散诱发应力松弛机制研究

摘要

锂离子电池具有容量大、比能量大、无记忆效应、循环寿命长等优点，已被广泛应用到便携式电子产品、电动交通工具、大型动力电源等领域。然而锂离子电池的制造技术仍面临着一些的难题，主要是老化问题。随着使用时间增长，锂离子反复嵌入和脱出电极活性材料，引起相变和体积变化，由此产生较大的应力，从而导致电极材料力学性能的劣化，断裂和失去结构的完整性以及电极中活性物质的流失。为了防止锂离子电池力学性能的下降，有必要定量地理解锂化反应引起的化学响应机制和电极材料的力学性能。
　　本文基于连续介质力学的理论，发展一套适合于描述电极锂化反应过程中应力松弛机制的具有普遍适用性的理论模型。该模型考虑发生在电极材料上的质量传输、变形和应力演化过程，化学浓度和位移场作为独立变量来描述扩散‐力间的耦合作用，采用经典的Cahn-Hilliard扩散理论来描述锂离子的嵌入行为，而基于有限变形理论来描述由于离子在电极材料中质量传输引起的变形。与此同时，发展一套混合有限元数值计算方案来求解该理论模型，并在商用有限元软件ABAQUS的计算平台上，开发了与之适应的计算模块。在此基础上，以具有橄榄石结构的LiFePO4电极材料为例，数值研究了锂离子在方形和圆形两类常用电极嵌入过程中复杂的力化学现象。通过考察锂化过程中锂离子浓度、应力及充电状态SOC值的变化规律系统定量地研究了电极工作过程中的力、化、扩散间的耦合作用机制。
　　以硅薄膜电极结构优化的思想为基础，将圆形平面电极中心处抠一个直径较小的孔进行结构优化，以实现减小电极变形，释放集中应力。通过对比讨论分析得出优化后的电极锂化过程中产生的应力和结点位移减小且锂化速度变大，证明该结构能够优化电池性能。另外，本文完成了对平面电极锂化和降锂循环过程的仿真模拟，以此来验证该模型的有效性。本文提出的化学力耦合模型连同发展的数值计算方法提供了一个有效的模拟工具以预测电极材料使用中的各种化学、力行为。

目录

声明

字母注释表

第一章绪论

1.1研究背景

1.2锂离子电池的发展

1.3研究现状

1.4本文主要研究内容

第二章化学-力耦合理论

2.1经典的Cahn-Hilliard扩散理论

2.2有限变形理论

2.3化学-力耦合的本构描述

第三章化学-力耦合理论的有限元数值积分方案

3.1有限元数值求解方案

3.2基于ABAQUS有限元软件的数值实施方案

第四章电极材料在电化学反应过程中的数值预测

4.1平面电极锂化反应的研究

4.2圆形平面电极结构优化

4.3平面电极锂化和降锂循环过程研究

第五章结论与展望

5.1本文总结

5.2展望

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

附录

致谢