锂离子电池活性材料/集流体动态界面的结合性能表征研究

The interfacial bonding properties of active material/ current collector directly determine the electrochemical performances for lithium ion battery. However, the interface bonding properties are in a state of dynamic change with the embeding of Li-ions during the charging/discharging processes. Which leading to the separation of active material and current collector of high capacity anode, then causing capacity drastic fading. Therefore, the quantitative characterization of the interface bonding properties at the different charging/discharging status is of scientific significance and shows important practical value in engineering.Above on, this project aims to explore the interface failure mechanism of active material/ current collector for lithium ion battery under different state of charge and discharge. The interface bonding properties between active material/ current of Sn thin film anode will be investigated by means of experimental study and theoretical modeling. This project is finally to improve the cycle stability, coulomb efficiency and performance ratio of high capacity anode materials.

锂离子电池活性材料/集流体界面结合性能直接决定其电化学性能。但在充放电过程中，该界面结合性能会随嵌脱锂量的不同而处于动态变化状态，致使高容量负极活性材料与集流体迅速分离，造成电极循环性能剧烈衰减。因此，定量表征不同充放电状态下锂离子电池活性材料/集流体界面的结合性能对提高锂离子电池电化学性能具有重要的科学研究意义和工程应用价值。基于此，本项目旨在探索锂离子电池在不同充放电状态下活性材料/集流体界面的失效机理，以高容量锡薄膜负极材料为对象，从实验研究和理论建模两方面系统研究高容量锡薄膜负极材料在电池充放电过程中的界面结合性能，从而提高高容量负极材料的循环稳定性、库伦效率以及倍率性能。

为了解决锂离子电池高容量电极材料的锂化变形破坏问题，本项目通过理论分析和有限元数值模拟，建立了不同结构高容量电极材料的相变锂化模型及应力破坏预测模型，得到电极材料临界破坏状态与其结构尺寸、基本力学性能之间的锂化破坏失效机制图，并进一步通过实验加以验证。具体内容如下：.建立了基于理想弹-塑性变形的相变锂化模型，并通过ABAQUS有限元软件模拟了薄膜结构电极材料的相变锂化进程，分析了锂化过程中浓度场、应力场的动态演化。发现锂化应力在相界处发生了突变，且电极材料表面和界面处演化增大的拉应力是材料破坏的主要原因。.在相变锂化模型的基础上，基于能量破坏准则，建立了薄膜结构和空心核-壳结构电极材料的断裂、剥离破坏模型。根据量纲分析和ABAQUS模拟，通过函数拟合，确定了电极材料临界破坏SOC与其结构尺寸、基本力学性能之间的无量纲函数关系，得到了相应的锂化破坏失效机制图，从而为判断高容量电极材料在锂化过程中的安全性提供了理论依据。.通过电镀法制备了不同厚度的锡薄膜，并用其装配成扣式电池进行了充放电实验，通过扫描电镜观察得到了不同厚度的锡薄膜在锂化过程中的临界破坏SOC。实验表明对于厚度分别为10 μm、18 μm、26 μm和35 μm的锡薄膜，其临界断裂状态分别为SOC = 1、SOC = 0.72、SOC = 0.5和SOC = 0.36，实验结果与理论预测基本吻合，证实了锂化破坏失效机制图的准确性。