离子输运-物理老化-变形耦合时聚合物复合材料固态电解质的松弛行为

Polymer composites will be used as solid electrolytes in next-generation batteries, which physico-mechanical properties are influenced by multi-physics field during practical application. This project will explore the evolution of the micro-structure of polymer composites under ion diffusion, physical aging and stress. Moreover, the free volume evolution equation and constitutive relation will be developed in the frame of continuum mechanics and internal variable theory. Further, the relations between macroscopic characteristics and microcosmic state parameter are described, and the effect of nano-filler contents, film thickness, stress and charge conditions on physical aging rate are studied, to establish a theory for predicting the mechanical and electrical performances. In order to provide theoretical foundations for the optimization design and recycling of batteries, the effects of structure relaxation of solid polymer electrolytes on capacity fade in cells will be investigated.

无机颗粒填充的高聚物是新一代锂离子电池不可或缺的固态电解质材料，其物理力学性能将受到电池系统多场环境的显著影响。本项目根据离子输运、物理老化和变形耦合下聚合物复合材料的微观结构变化，基于连续介质力学框架与内变量理论，结合Cahn-Hilliard扩散理论，计及无机颗粒/聚合物的界面能，建立关于自由体积、离子浓度、应力和温度等宏观控制变量的完整动力学方程组；根据热力学原理和材料行为特征，获得多物理场作用时固态电解质材料的自由体积演化方程和本构关系；研究宏观特征量与代表体积元相关微结构演化量的定量关系，系统分析微纳颗粒与锂盐含量、应力和电解质薄膜厚度对物理老化速率的影响，研究不同充放电条件时玻璃态聚合物的粘弹特性，发展复合材料电解质长期物理力学性能的理论预测方法；探索固态电解质结构松弛行为与电池循环性能的内在联系，为先进聚合物复合材料全固态二次电池的优化设计与利用提供理论支撑。

高聚物基复合材料电解质是新一代锂电池的核心元件之一，其微观结构将受到电池系统多场环境的显著影响，宏观物理力学行为和松弛机制的科学探索面临新的挑战。本项目研究了聚合物复合材料的自由体积演化；探索了固态电解质的松弛行为及其影响因素；基于连续介质力学理论，建立了有限变形条件下的率相关本构模型；发展了电解质服役时的模量和离子导电率的预测方法；探讨了组分梯度电极材料中锂的扩散机制、应力演化及极片结构的力学稳定性；初步研究了电解质松弛对电池电化学性能的影响。获得了以下主要研究成果，将为高性能全固态二次电池的优化设计提供理论支撑。.（1）阐明了固态电解质组份-微观结构的变化规律，获得了其特征量的演化方程，揭示了无机纳米颗粒、锂盐和交联密度对电解质结构松弛的影响机理；.（2）计及锂盐浓度、应变率和物理老化效应影响的粘弹性本构方程，能够适用于应变率较低的小变形拉伸及高应变速率下的大变形问题，且不同锂盐浓度、应变率时的计算结果与电解质有限变形拉伸试验数据相吻合；基于M-R模型，建立了描述动态存储模量随锂盐浓度、温度和物理老化时间耦合的演化方程。.（3）多物理场作用下离子电导率演化的解析式具有明确的物理意义，可预测聚合物复合材料固态电解质的长期电学性能，定量表征锂盐浓度、电流强度、老化时间和电解质厚度对离子输运性能的影响。.（4）分析了锂二次电池活性材料锂化过程中，锂浓度、锂化应力及活性材料最大锂化浓度对锂扩散及扩散应力的影响，提出了利用无量纲充电速度和材料力学参量来对判断主要扩散机制的方法。.（5）获得了不同电流速率、充放电过程以及异氰酸酯交联改性的粘接界面性能时极片临界屈曲载荷的演化规律，阐明了屈曲与浓度相关模量耦合效应的物理机制，给出了改善电极抗屈曲能力的设计方法。.（6）发现了不同装配应力、物理老化时间和无机颗粒含量对电池放电容量保持率和倍率性能的影响规律，揭示电解质结构松弛行为对电池容量的损伤机理。