充放电循环下锂离子电池电极的结构变形、分层和锂枝晶生成

Lithium ion batteries which are most popular powers of all kinds of mobile and energy storage devices are one of the focus and interdisciplinary research hotspot for chemistry, materials, energy, mechanics and so on. The proposal which chooses the electrode material / structure in lithium ion battery will focus on revealing the mechanism of electrode structure deformation, delamination and lithium dendrites generation. These factors will affect the performance degradation of the lithium-ion battery during charge-discharge cycle. The theoretical model which considers the influence of electrochemical reactions, material properties, and diffusion on stress is developed. By building electrode deformation, delamination and lithium dendrites in situ observing system, the coupling effects and mechanism of electrochemical reaction, material properties, diffusion, and the stress field are analysized. The charge-discharge process and electrode design of lithium-ion batteries which are lack of lithium dendrites, deformation, and delamination damage are obtained from theory and experimental verification. The research has important scientific significance and practical value.

锂离子电池是各类移动式储能和供能器件的主流电源, 也是当前化学、材料、能源、力学等学科交叉研发的重点和热点之一。本项目以电极材料/结构为对象，重点揭示充放电循环下电极结构变形、分层以及锂枝晶生成等导致锂离子电池性能退化的机理，发展电化学反应、材料性能、扩散、应力等因素耦合作用下的理论模型。通过构建实时原位观测系统和电极变形、分层以及锂枝晶生成等的实时原位观测，理解电化学反应、材料性能、扩散、应力场之间的耦合效应和竞争机制。从理论和实验两个层面掌握锂离子电池电极因锂枝晶生成、电极损伤而导致性能退化的演化历程，设计出枝晶少、变形小、无分层的电极结构和充放电规程。研究有重要的科学意义和较大的实际应用价值。

设计了实时原位观测锂离子电池充放电过程中各种现象的双尺度实验装置，观测了商业石墨电极充放电过程中的颜色变化、电极变形、电化学反应以及锂枝晶等现象。在常温小电流充放电条件下，实时原位地捕捉石墨电极中的锂枝晶的产生、生长、消融以及死锂残留等过程。揭示了锂枝晶不仅仅只是大电流过充或低温充电状态下的产物，常温常态小电流充电条件下依然能够生成锂枝晶。观测了锂硫电池正极的膨胀现象以及穿梭效应，设计了一种可实时观测锂硫电池电化学反应过程和变形演化的实验装置。锂硫电池的正极在充放电循环过程中会出现膨胀现象，会造成电极结构损坏或电极与集流体脱离等不利于电池循环的后果。.集流体作为锂离子电池电极中的重要组成部分，发挥着联结外电路和活性材料的作用，充当着电子传输的桥梁，其力学性能对电极结构的设计和优化至关重要。表征了电池正、负极用集流体（分别为铝箔和铜箔）的力学性能（弹性模量、屈服强度、断裂强度等），为锂离子电池发展过程中优化电极结构提供理论指导。.锂离子嵌入或脱出电极活性材料，会造成电极发生体积改变，引起应力或电极开裂，导致锂离子电池容量衰落或性能快速退化。通过研究锂离子电池在锂化(即充电)过程中电化学与力学的耦合，根据弹性力学及热弹性的线性理论，建立不同扩散模型下的应力应变本构关系；采用COMSOL有限元软件对锂离子电池在锂化过程中锂的扩散及相关应力进行研究，为从力学视角研究锂离子电池性能提供一定的理论和技术指导。.铝塑复合膜就是软包装锂离子电池最常用的封装材料，研究了其基本力学性能和热封特性。拉伸破坏有界面破坏、内聚破坏、剥离破坏以及断根破坏等4种模式，内聚破坏模式的出现概率最大。随着热封温度的提高和热封时间的增加，断根破坏模式出现的概率将提高。通过比较不同铝塑复合膜材料的热封强度，发现热封层厚度与热封强度具有正相关的关系，流延聚丙烯工艺下的铝塑复合膜的热封强度相比其他工艺具有更好的力学性能。