锂离子电池高容量负极材料力-化耦合机理研究

Lithium-ion batteries have been identified green, high efficiency and non-pollution for next-generation energy, widely used in mobile devices, electric vehicles, and aerospace. As one of the critical configurations of lithium-ion battery, many promising high capacity anode materials (such as silicon and tin) have been developed to replace the carbon and improve the capacity. Although these anodes exhibit an order of magnitude higher capacity than the currently used anode, they suffer from the problem of large volumetric expansion (200-400%) upon charge and discharge, which induces tremendous diffusion stress, resulting in huge plastic deformation and bringing about pulverization and exfoliation, thus decaying the electrochemical cycle performance. The challenge for lithium-ion batteries is not only a pure chemical problem, but also a significant mechanical issue. In this project, the failure mechanism of electrode induced by diffusion stress of anode materials is explored, with modeling the chemo-mechanical coupling theoretical model further, controlling the diffusion stress, designing the structure and studying the electrochemical performance. This project has been found to show certain applied influence to advance commercialization of lithium-ion anode and improve the cycle life of the high capacity anode.

锂离子电池作为一种绿色高效、无污染的新一代能源，已广泛应用于移动通信、电动汽车、航空航天等领域。常规碳负极材料由于其容量较低，成为制约高性能锂离子电池发展的瓶颈之一，所幸科学家已经开发出了许多有潜力替代碳材料的高容量负极材料，如硅基、锡基等负极材料。这些高容量负极材料最大可以将锂离子电池的容量提高10倍，然而充放电过程中会伴随巨大的体积变形，可达200-400%。该体积变形是由化学反应导致的扩散应力引起的，它直接造成了材料粉化、剥落，进而严重影响其电化学循环性能。因此，锂离子电池面临的挑战并不是一个单纯的化学问题，还是一个重要的力学问题！ 本项目旨在探索高容量负极材料扩散应力导致的电极失效机理，在此基础上建立力-化耦合理论模型，并进行扩散应力调控、结构优化设计以及电化学性能评价。本申请项目对提高高容量负极材料的充放电寿命、推动锂离子电池高容量负极材料的实用化具有一定的应用价值。

锂离子电池作为一种绿色高效、无污染的新一代能源，已广泛应用于移动通信、电动汽车、航空航天等领域。高容量负极材料最大可以将锂离子电池的容量提高10 倍，然而充放电过程中会伴随巨大的体积变形，可达200-400%。该体积变形是由化学反应导致的扩散应力引起的，它直接造成了材料粉化、剥落，进而严重影响其电化学循环性能。本项目旨在探索高容量负极材料扩散应力导致的电极失效机理，在此基础上建立力-化耦合理论模型，并进行扩散应力调控、结构优化设计以及电化学性能评价。具体研究内容如下：.(1) 为了缓解锡基负极材料在充放电过程中材料粉化的问题，我们基于高强度，高导电的碳纳米管，将其与锡金属负极复合制备了Sn-CNTs一体化电极材料。我们采用复合电沉积的方式，制备了Sn-CNTs复合电极，并对制备复合电极的工艺参数以及CNTs直径对电极循环性能的影响进行了研究。.(2).建立锂离子电池充放电过程中电极材料的温度场的理论模型。利用有限元软件研究电极材料表面与外界的热传导系数和表面热辐射率对其温度场的影响，发现随着表面与外界的热传导系数和表面热辐射率的增加，电极材料的温度会降低。.(3).建立电极材料化-力作用下的浓度场和应力场的理论模型。利用有限元软件研究各向同性与各向异性对空心核-壳和薄膜结构负极材料相变锂化过程中的浓度场和应力场的影响，发现空心核-壳结构负极材料各向异性时环向拉应力大于各向同性的情况，这更容易导致负极材料的开裂和破坏。.(4) 为了提高了活性材料内碳纳米管的含量，达到改善锡基合金循环性能的目的，我们以Cu-CNTs连接层为基础，将Sn-CNTs活性材料与Cu-CNTs连接层结合，设计了Sn-CNTs/Cu-CNTs复合电极。我们采用复合电沉积的方式，以铜箔为基底先电沉积Cu-CNTs复合镀层，然后在电沉积Sn-CNTs复合镀层制备了Sn-CNTs/Cu-CNTs复合电极材料，并对热处理时间对电极循环性能的影响进行了研究。