氧化及离子迁移反应应变的测试方法研究

Abstract：the strain induced by chemical reaction usually cause fading of the capacity and damage of electrinic cell material. The curvature reversal occurs when oxidazed anode of Solid Oxidation Fuel Cell,the reseason is that ther exist of oxdation layer will redistribute the stress in multlayers.furthmore,the charge and discharge of li-ion battery, lithiation-induced large deformation of silicon electrodes can be accommodated by plastic flow. Here we want to investigate a mothod to measure the deformation of multlayer film under oxidation in SOFC and reative flow in lithiation, a cantileverbeam with osicalate laser detecter is propose to set up for measurement. Through the experiment, two problems are to be solved, the first is that to understand which one is right responsful the crack of multlayer film of fuel cell, the center ring model or the oxidation layer evolution model ; the other is to understand the mechanism of plastic deformation of lithiated silicon, using continuum plasticity theory and nonequilibrium theory to formulate the lithium diffusion coupled to the elastic-plastic deformation of the silicon electrode.

化学反应产生的应力应变会导致材料功能减退和失效，研究电池中的反应力学问题是一个有意义的新课题。在电池材料中，我们发现氧化发生时，随着氧化程度增大，层中应力会重新分布进而导致膜系曲率改变，并有曲率反转出现；而锂离子电池充放电过程中，锂离子的嵌入和迁出改变了硅电极材料结构和性能，导致电极材料发生非弹性变形和塑性出现。本项目研究测试化学应变的方法和手段，拟用光学读出悬臂梁法测试氧化及离子嵌入过程电池类材料变形演化过程，实时测试多层膜氧化曲率反转过程，测试硅电极电池材料的反应塑性流动变形过程和机理。并弄清楚两个问题，1、氧化过程多层膜到底是中心环开裂还是层化开裂，2、离子嵌入性硅电极材料反应塑性流动的机理和引起变形的影响因素，建立描写反应塑性流动变形的非弹性和非平衡力学模型。这些研究对于化学反应应变测试方法研究和电池材料的失效机理都具有应用价值和科学意义。

建立了一套可以测试变形、测温控温加热加电的测试系统，用于测试电池材料力学-化学-电热的耦合下的变形和失效问题，测试化学反应产生的应力应变会导致材料功能减退和失效；氧化变形机理取得了重要进展，首先发现了氧化还原过程的金属相趋面效应，建立了电池氧化还原过程中材料变形计算的随动模型，并提出了新型形函数，优化接触面的应力变形分布，对于电池的优化具有科学意义。建立了全面的化学-力学耦合模型，对电池离子扩散过程中的非线性变形进行了深入认识和分析，对全固态电池扩散问题，锂枝晶电流效应问题有了深入的了解，对于认识锂离子电池的过程变形具有科学意义