空心碳纳米球在锂离子浓度场中扩散诱导应力演化机理研究

Lithium-ion batteries have high application value and wide application prospects in military and civilian fields. However，lithium-ion batteries with traditional electrode material are unable to achieve higher specific capacities, faster charging speed and longer service life due to diffusion induced stress. As a new type of electrode material, hollow carbon nanosphere is believed to fulfill the aforementioned requirements because of its structural characteristics which make it possible to avoid the mechanical damage during charging and discharging process. This proposal aims at clarifying the mechanism of diffusion induced stress in hollow carbon nanosphere. Firstly, the diffusion law of lithium ions in hollow carbon nanospheres is studied, and then the atom-continuous multi-scale model is constructed to determine the physical meaning of scale factors. After that, we establish the governing equation of diffusion induced stress in lithium ion concentration field with the consideration of material and geometric nonlinearity. Finally, the influence of main factors on diffusion induced stress in hollow carbon nanosphere are analyzed by using the element-free method. The present research will provide theoretical guidance for the optimization of hollow carbon nanosphere electrodes and have practical significance for promoting the development of lithium-ion battery-related applications such as the electric vehicle industry.

锂离子电池在军事、民用领域具有较高的应用价值和广泛的应用前景。受限于扩散诱导应力引起的力学损伤，传统电极材料的锂离子电池无法实现高比容量、快充电速度、长使用寿命的要求。但作为新型电极材料的空心碳纳米球被认为可以实现前述要求，因为它所具有的中空结构使其具有避免在充放电过程中发生严重力学损伤的潜力。本课题针对空心碳纳米球中扩散诱导应力的产生机理这一难点问题，首先研究锂离子在空心碳纳米球中的扩散规律，然后构建原子-连续多尺度模型，确定尺度因子的物理意义，接着在考虑材料及几何非线性的基础上建立扩散诱导应力在锂离子浓度场中的控制方程，进而采用无网格计算方法定量分析空心碳纳米球中扩散应力的影响因素。本课题的研究成果将为空心碳纳米球电极的优化提供理论指导，对促进锂离子电池相关应用领域如电动汽车行业等的发展具有现实意义。

受限于扩散诱导应力引起的力学损伤，传统电极材料的锂离子电池无法实现高比容量、快充电速度、长使用寿命的要求。但作为新型电极材料的空心碳纳米球被认为可以实现前述要求，因为它所具有的中空结构使其具有避免在充放电过程中发生严重力学损伤的潜力，因此探索空心碳纳米球电极在充放电过程的应力及结构破坏演化机理很有必要。本课题针对空心碳纳米球中扩散诱导应力的产生及结构破坏机理这一难点问题，开展了以下研究，并取得了相应成果:. 1. 探索锂离子在空心碳纳米球中扩散规律。应用分子动力学方法研究锂离子扩散过程中引起的碳原子活跃对多层富勒烯结构的影响，并且对比了三个因素带来的影响：锂离子的速度、锂离子的浓度和多层富勒烯的层数；考虑电极膨胀对内部结构的挤压作用，探究多层富勒烯受挤压时结构发生的变化。. 2. 空心碳纳米球原子-连续多尺度分析。基于分子动力学-连续力学理论，研究双层石墨烯电极受到空心碳纳米球冲击的动态行为，对接触持续时间内上下层的位移变化进行了模拟和研究。创新性地研究了具有不同位错角的双层旋转石墨烯电极受到富勒烯冲击的动态行为。. 3. 空心碳纳米球电极扩散诱导应力影响因素定量研究。对空心碳纳米球壳在电解液内充电和放电过程进行了力学建模，用无网格法定量计算空心碳纳米球内径、球壳厚度、充电速度等对扩散应力的影响，并探索了一维电极在人工肌肉领域的应用研究。. 本项目的研究，一方面可以丰富力学-电化学耦合理论体系；另一方面，为空心碳纳米球电极的优化提供理论指导，对促进锂离子电池相关应用领域如电动汽车行业、一维电极人工肌肉等的发展具有现实意义。