受衬体约束且具有不同几何构造的锂电池硅电极的充放电损伤

结题报告

项目介绍

AI项目解读

基本信息

批准号：
11102103
项目类别：
青年科学基金项目
资助金额：
26.0万
负责人：
宋亦诚
依托单位：
上海大学
学科分类：
A0808.多场耦合与智能结构力学
结题年份：
2014
批准年份：
2011
项目状态：
已结题
起止时间：
2012-01-01 至2014-12-31

项目参与者：
谢惠明；鲁红权；吕浡；姬祥；
关键词：
充放电硅电极损伤锂电池

项目摘要

本项目主要研究受衬体约束且具有不同几何构造的锂电池硅电极在充放电过程中发生的损伤和破坏问题。首先，发展基于扩散应变（锂离子在材料中扩散引起的应变）的数值计算方法，计算硅电极在充放电过程中的应力分布和损伤；然后，在主要研究平面薄膜电极和纳米线阵列电极的几何结构以及衬体约束对硅电极充放电损伤的影响的基础上，结合电极的尺寸效应和充放电环境，综合讨论锂电池硅电极的损伤和破坏机理，为新一代锂电池的设计和使用提供指导。

结项摘要

本研究项目按照原定计划进行，不仅完成了原定的研究内容，并且在部分内容上进行了拓展和更深入的研究。本项目主要进行了四个方面的研究：（1）层状电极的扩散应力以及基于扩散应力的电极结构设计和充放电规程设计；（2）锂离子迁移运动的“反应－扩散－相变－应力”耦合模型；（3）硅岛电极的分层研究；（4）集流器塑性变形对电极扩散应力以及电极性能的影响。.取得的结论和成果有（1）：针对平板形和圆柱形层状电极，计算了扩散应力在充放电过程中的分布和演化，并基于应力提出了电极结构和充放电规程的优化设计建议；（2）建立了描述锂离子在电极中迁移运动的“反应－扩散－相变－应力”多场耦合模型，描述了应力在锂离子迁移的各个物理过程中的作用，建立了锂离子迁移的多场耦合机制；（3）针对高比容量的硅电极材料，建立了硅岛电极的分层损伤的模拟演化模型，讨论了材料模量、充放电操作、粘接强度、最大锂化应变以及硅岛的半径和厚度等因素对电极分层损伤的影响，获得了不发生分层损伤的硅岛电极的临界尺寸计算公式；（4）在电极结构中，如果减小集流器的厚度并允许集流器在充放电过程中发生塑性变形，不仅可以提高电池的容量，还可以减小活性材料中的扩散应力，从而提高电池的循环寿命，并且提出了基于塑性理论的集流器厚度设计准则。.本项目是国际中较早地在锂离子电池的相关设计和研究中考虑应力和损伤的影响的工作，在国内外具有一定的影响力。项目组在2013年全国力学大会和2014年全国固体力学大会上都负责组织电池材料与结构力学的专题分会场。到目前已发表论文10篇，其中SCI论文8篇，包括一区论文3篇，二区论文1篇，部分论文引用已超十次，获得过影响因子大于25的著名期刊论文正面引用。培养硕士研究生两名，其中一人已经毕业，另一人即将毕业。.总而言之，本项目顺利完成了预定的研究任务，取得了一系列较为重要的科学成果，发表多篇高质量学术论文，在国内外产生了一定的影响力。