典型化学电池中的结构变形测试技术与力－电化学耦合实验平台

Lithium-ion battery is a typical chemical battery and there are some mechanical problems for the structure deformation and failure in the electrochemical process of lithium-ion diffusion. In this application, the experimental mechanics testing technology and comprehensive experimental test platform will be studied and developed for mechanical-electrochemical coupling problems in typical chemical batteries. It mainly includes the development of high precision optical mechanics testing technology, the research for detecting molecular structure information linking with deformation by optical and spectrum technology, the establishment of real-time test record system, the measurement of lattice structure deformation and stress evolution due to the lithium-ion diffusion. The simulation device of chemical battery experiments with quartz optical window will be also developed and well matched with the above optical measurement techniques and spectrum technology. By the control of electrical/chemical process of the device, in situ and multi-scale measurement for structure deformation can be realized and the experimental parameters can be digitally characterized. A comprehensive experiment test platform will be established for studying the mechanical performance of the corresponding chemical batteries.

锂离子电池是一种典型的化学电池，在绿色能源与信息工程中具有重要应用，但存在着电化学过程中锂离子扩散所引发的结构变形与失效等力学问题。本申请拟针对锂离子化学电池中的力－电化学耦合问题开展实验力学测试技术研究与综合实验测试平台研制。主要包括开发高精度的光力学测试技术，研究可以探测分子结构信息及与变形关联的光谱力学测量技术，建立可实时记录的测试系统，测量因锂离子嵌入与脱出所引发的晶格结构变形信息与应力演化；研制带有石英光学窗口的模拟化学电池实验装置并与上述光测技术和光谱技术整合，通过对力-电/化学过程的控制，实现电池微结构力学响应的在线原位测量以及对实验参数的数字化表征，得到电极材料宏观尺度/微观尺度/时间尺度三者协同的实验信息。通过实验研究，增进对力-电化学耦合的微观机制和基本规律的认识，为相应化学电池材料的力学性能研究提供多尺度的原位的精细定量的综合实验测试平台。

锂离子电池是目前应用最为广泛的能源器件，其电极材料充放电工作进程是一个力-电化学耦合的过程，从力学角度研究电极力-电化学耦合行为与机理对开发高性能长寿命锂离子电池具有重要的科学意义和应用前景。本项目围绕锂离子电池力-电化学耦合问题开展实验测试技术开发与研制。取得主要进展如下：..1. 研制了电化学原位综合实验平台：本项目设计了带石英玻璃的原位电化学电池，并配合光学采集系统、拉曼光谱技术和显微系统搭建了多尺度原位综合实验平台，实现电化学过程电极宏观弯曲变形、微结构变形和扩散与电化学参数的原位并行采集，为力电化学耦合问题研究提供综合实验平台；..2. 提出了双层电极弹性模量与应力演化的实验表征方法：本项目提出了修正Stoney应力方程，建立了电化学过程中随锂浓度演化的弹性模量方程和考虑模量变化的双层应力方程，可以与电化学原位综合实验平台结合，定量表征电化学过程中的模量变化与应力演化，并论证了修正的Stoney方程在电化学领域的适用性，为量化循环过程中力电化学多尺度衰退的驱动力提供有利的实验手段和有效的数据；..3. 建立了锂离子扩散浓度分布与扩散系数的原位表征方法：基于电化学原位综合实验平台，实时观测扩散中电极材料内锂浓度随时间空间的演化，定量表征了扩散系数，为研究扩散过程中的力学参数的作用，以及深化理解力电化学耦合过程提供了有效的实验基础。..4. 从实验的角度研究了电化学过程中的应力影响与调控机制：首先设计了弯曲垫片结构以实现电化学耦合应力与主动应力的解耦，通过电化学实验结果证明了拉/压应力的非线增强/抑制电化学响应实验现象，提出了电极材料性能优化新的方法，为推进应力调控技术在能源材料领域的应用提供科学依据；.. 本项目搭建的原位综合实验平台为各种力-电化学耦合下基本规律以及微观机制研究提供光力学测量实验平台，为今后跨尺度、多学科衰退机理提供有效的实验新方法和实验装置。本项目已有成果证实了提出的修正Stoney公式在电化学领域的适用性，相比于目前该领域常用的经典的Stoney公式能够准确表征电化学过程中的电极材料软化以及电极应力，为后续各种不同电极的应力表征提供有效的实验方法。