基于電化學-應力耦合模型的鋰離子電池硅/碳核殼結構的模擬與優化*

柳小偉 宋輝3)? 郭美卿? 王根偉3) 遲青卓

1) (太原理工大學機械與運載工程學院, 太原 030024)

2) (太原理工大學, 材料強度與結構沖擊山西省重點實驗室, 太原 030024)

3) (太原理工大學機械與運載工程學院, 應用力學研究所, 太原 030024)

4) (大連理工大學能源與動力學院, 大連 116024)

硅基電極材料在應用中的一個主要問題是巨大的體積膨脹, 以及由此帶來的電極材料破裂、粉化.本文在有限變形假設前提下, 基于電化學-力學耦合理論, 研究球形Si/C核殼結構在嵌鋰過程中的濃度、應力場的演化, 并在此基礎上討論了核殼結構的優化設計.計算結果顯示: 殼層可以很好地保護硅顆粒的膨脹; 然而核內產生的較大的徑向壓縮應力可能導致核殼界面的脫黏, 而核殼界面處的切向拉伸應力可能會導致殼層的斷裂.進一步為有效提高核殼結構的電化學與力學性能, 從而實現鋰離子電池更長的循環壽命, 考慮了兩種結構的優化: 1)單層核殼結構; 2)雙層核殼結構.結果表明對于單層核殼結構應使用更軟的包覆層材料; 而雙層核殼結構中優化的材料布置方案為內軟外硬, 對雙層核殼結構的硬度分析表明, 內層材料的楊氏模量應低于10 GPa, 而外層材料的應不高于70 GPa.本文的結論對球形材料顆粒電極的設計及優化具有一定的指導意義.

1 引 言

鋰離子電池是一種可反復充放電的二次電池,因具有工作溫度范圍寬、電壓高、荷電保持能力強、比能量高、循環壽命長和無污染等諸多優點,不但……