含大变形活性颗粒的锂离子电池复合电极的力学-电化学耦合理论和实验

Composite electrodes, which are typical in commercial lithium-ion batteries, have a complex porous structure consisting of active particles, conductive graphite, and polymeric binders. Newman’ model is the most widely used composite electrode theory which does not consider mechanical stress on lithium-ion transport in composite electrodes. The great challenge for coupled electromechanochemical modelling and experiment investigation for composite electrodes with high energy capacity active particles is the large volume change of the active particles caused by lithiation. The project investigates coupled electromechanochemical behaviors of composite electrodes with active particles of large volume change, and tries to understand the relationships of macroscopic mechanical and electrochemical properties of composite electrodes with microscopic structures. The coupled electromechanochemical model for composite electrodes with active particles of large volume change will be developed, which considers the changing active size and porosity. The method for in situ measurement of mechanical properties and stress evolution in composite electrodes with large deformation will be proposed. Based on the theoretical modelling and experiment the design insights for microstructural parameters and material parameters of constituents in high capacity composite electrodes will be provided.

锂离子电池复合电极材料是活性颗粒、粘结剂/导电剂制成的充满电解液的多孔复合材料。Newman模型是目前最常用的描述锂离子在复合材料中输运的复合电极理论，但没有考虑应力的耦合。高容量活性颗粒大变形的特点对力-电化学耦合的复合材料电极理论和实验提出了巨大挑战，此问题也是高容量锂离子电池发展的主要瓶颈之一。本项目研究含大变形活性颗粒的复合材料电极的力学和电化学行为，揭示电极宏观力-电化学性能与微观结构之间的关联机理，通过考虑活性颗粒大变形对颗粒尺寸、孔隙率等关键参量的影响，建立考虑颗粒大变形的复合材料电极的力学-电化学耦合模型，发展电化学诱导大变形复合电极的应力和复合材料力学性质的原位测试方法，基于理论预测和实验提出优化的高容量复合材料电极材料/结构参量，针对颗粒/粘结剂组分、颗粒初始尺寸、粘结剂性能、孔隙率等进行优化，改善电池电化学性能，并通过充放电实验验证得到的优化结果。

本项目以锂离子电池复合材料电极为研究对象，建立复合材料电极的力-电化学耦合模型，发展复合材料电极材料参数的原位测量方法，揭示材料/结构参量对复合材料电极性能的影响规律，完成预定研究目标，对锂离子电池的内在机制理解、性能优化和发展方向做出了创新性贡献。项目执行期中的主要研究进展体现在如下密切联系的三个方面：.进展1：深入探讨复合材料电极的材料参数演化行为，发展了双层悬臂梁电极测试系统，提出了通过观测电极弯曲曲率同步实时原位测量电极模量和偏摩尔体积演化的实验方法，揭示了硅复合电极模量演化的主要机制。.进展2：提出了基于力学的锂离子电池结构设计理念，揭示了电极结构以及结构损伤对电池性能的重要影响，提出了抑制力学损伤、提升电池性能的集流体塑性安定设计、活性层预锂化设计和锂金属电极宏观孔设计等电极结构设计。.进展3：以电池结构力学响应的充放电调控为切入点，以不改变电池化学成分为特点，提出了锂离子电池充放电的力-电-化耦合调控设计理念，研发了基于应力调控的超快充电高功率电池和基于部分充放电的长寿命高容量电池。