Damage prediction of very high cycle fatigue of high-capacity battery electrodes based on multi-scale modeling

基于多尺度建模的大容量电池电极极高循环疲劳损伤预测

基本信息

批准号：
19K04078
负责人：
小林志好
金额：
$ 2.75万
依托单位：
Tokyo City University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
财政年份：
2019
资助国家：
日本
起止时间：
2019-04-01 至 2024-03-31
项目状态：
已结题

项目摘要

本研究は活物質膜が活物質とバインダーからなる複合構造であることに着目し，電極に損傷が生じるまでの繰返し数が百万回を超える低い応力を繰返し与えたときのミリメートルオーダの電極の変形とマイクロメートルオーダの微視的な疲労損傷の過程を関連付ける数理モデルの構築を目指している．２０２１年度には繰り返し荷重を与えると試験片はエネルギー散逸を起こし，そのエネルギーが累積すると試験片は巨視的な破断に至ること，一般的な材料と同じく，応力振幅の増加に伴って散逸エネルギーおよび累積散逸エネルギーが増加すること，これらの結果と本研究で提案する数理モデルを用いて試験片の疲労損傷を予測できることが確認された．２０２２年度は当初の研究実施計画にしたがって，電極の構成および実働環境下に対する本手法の適用範囲を明らかにするために，電極を構成する活物質とバインダーの配合比の変更や実働環境を模した疲労試験の実施を検討した．前者は電極を構成する活物質とバインダーの配合比を変更した場合に，本疲労損傷予測手法が適用できるか，引張疲労試験と平面曲げ疲労試験を実施して調べた．引張疲労試験および平面曲げ疲労試験の結果から，配合比を変えた場合も，試験片は同様の傾向を示した．一方で，疲労損傷の予測精度はバインダーの濃度を減らした場合にやや低下した．この原因として，試験片の製作工程において試験片を加熱乾燥させて溶剤を気化させる必要があるが，バインダーの濃度が薄い場合には活物質の間隔が試験片の面内方向と厚さ方向でやや異なったことにあった．数理モデルにこの活物質の配置の違いを反映したところ，疲労損傷の予測精度は改善した．後者はまず恒温槽を用いて，高温下での静的引張試験を実施し，温度による基本的な影響を調べた．高温下では試験片が軟化するなどの定性的な傾向がみられたが，その原因の解明や疲労損傷予測への展開などは今後の課題となった．

这项研究重点关注活性材料膜是由活性材料和粘合剂组成的复合结构这一事实，并表明当在电极发生损坏之前重复施加低应力超过一百万次时，结果是电极我们的目标是建立一个数学模型，将变形过程与微米级的微观疲劳损伤联系起来。 2021财年，预计当重复施加载荷时，测试件将耗散能量，如果能量积累，测试件将导致宏观断裂。与一般材料一样，随着应力幅值的增加，耗散的能量也会增加。并证实累积耗散能量增加，并且可以利用这些结果和本研究提出的数学模型来预测样本的疲劳损伤。 2022财年，按照原研究实施计划，我们将改变构成电极的活性材料和粘合剂的混合比例，并模拟实际工作环境，以明确该方法对电极配置的适用范围我们考虑实施疲劳测试。对于前者，我们进行了拉伸疲劳试验和平面弯曲疲劳试验，以研究在改变构成电极的活性材料和粘合剂的混合比例时是否可以应用这种疲劳损伤预测方法。拉伸疲劳试验和平面弯曲疲劳试验的结果表明，即使改变混合比，试件也表现出相似的趋势。另一方面，当粘结剂浓度降低时，疲劳损伤预测精度略有下降。其原因在于，在试件制造过程中，需要对试件进行加热干燥以蒸发溶剂，但当粘合剂浓度较低时，活性材料在面内和面内的间距较大。和测试件的厚度方向发生了一些不同。当活性材料排列的这种差异反映在数学模型中时，疲劳损伤的预测精度得到提高。对于后者，我们首先使用恒温槽进行高温静态拉伸试验，以研究温度的基本影响。尽管在高温下观察到了测试样本软化等定性趋势，但阐明疲劳损伤预测的原因和发展仍然是未来的问题。

项目成果

期刊论文数量（14）

专著数量（0）

科研奖励数量（0）

会议论文数量（0）

专利数量（0）

Creep rate and creep rupture time of negative electrode for lithium-ion batteries with different composition ratios of PVDF binder

不同PVDF粘结剂配比的锂离子电池负极的蠕变速率和蠕变断裂时间

DOI：
发表时间：
2022
期刊：
影响因子：
0
作者：
Kairi Shiraishi;Takahiro Nomoto;Masaya Ueda;Yoshinao Kishimoto;Yukiyoshi Kobayashi
通讯作者：
Yukiyoshi Kobayashi

Macroscopic Fracture Criterion of Lithium-ion Battery Electrode

锂离子电池电极宏观断裂准则

DOI：
发表时间：
2021
期刊：
影响因子：
0
作者：
Yoshinao Kishimoto;Yukiyoshi Kobayashi;Toshihisa Ohtsuka;Kyohei Nakamura;Yuki Tsukagoshi;Shota Ono;Hiroshi Yamazaki
通讯作者：
Hiroshi Yamazaki

リチウムイオン電池負極材の変形挙動に関する研究

锂离子电池负极材料变形行为研究