硅电极演化中力化学行为的相场模型研究

IMECH-IR > 非线性力学国家重点实验室

	硅电极演化中力化学行为的相场模型研究
英文题名	The Study of Mechnochemical Behaviors of Silicon Anodes by Phase Field Model
	左鹏
导师	赵亚溥
	2014
学位授予单位	中国科学院研究生院
学位授予地点	北京
学位类别	硕士
学位专业	固体力学
摘要	硅基锂离子电池是一个电化学、力学耦合系统。近年来，硅材料以其4200mAh/g的高储能密度成为最具有发展潜力的高能存储材料之一，引起了电池产业界以及学术界的高度关注。但是，正是由于储能密度高导致了大量的锂离子嵌入何脱嵌引起硅电极产生高达400%的体积变化，并且体积失配诱导电极内部产生强大的应力场而使电极发生碎裂失效，电池容量及寿命也随之下降。伴随着锂离子的嵌入和脱嵌，硅电极还会出现材料软化和塑性流动。本文通过相场模型对硅电极在嵌锂和脱嵌过程中出现的力化学行为进行建模研究。在小变形范围内建立了耦合锂离子扩散、应力场演化和裂纹扩展的相场模型。以薄膜电极为例，将相场模型运用在薄膜电极中，讨论了耦合效应对锂离子扩散和裂纹扩展的影响。研究表明，应力化学耦合使锂离子向裂纹尖端聚集，并进一步导致裂纹尖端应力场弱化；由于裂纹之间强烈的相互作用，薄膜电极中的裂纹扩展表现出规律性，单条裂纹直线扩展，两条平行裂纹相互排斥，两条垂直和非垂直放置的裂纹垂直相交，三条斜平行裂纹相互贯通。针对硅电极在充放电过程中存在400%的体积变形，材料软化和塑性流动等力学行为，将小变形范围的相场模型推广到有限变形，建立了耦合有限变形、锂离子扩散、应力场和裂纹扩展的相场模型，并在模型中考虑材料软化和塑性流动。以球形电极和圆柱电极为例，讨论了小变形、有限变形，材料软化以及塑性流动对充放电过程中电极内应力的影响。结果显示，在硅电极出现显著体积变化时，小变形和有限变形模型给出的应力演化存在差异；而材料软化对应力演化没有显著影响；塑性流动使应力最大幅值减小，并显著改变了应力分布。
索取号	31125
语种	中文
文献类型	学位论文
条目标识符	http://dspace.imech.ac.cn/handle/311007/48964
专题	非线性力学国家重点实验室
推荐引用方式 GB/T 7714	左鹏. 硅电极演化中力化学行为的相场模型研究[D]. 北京. 中国科学院研究生院,2014.

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