Ein konstitutives Modell für die kraftelektrochemische Kopplung von Lithiumionenbatterie-Elektrodenmaterialien

Elektrodenmaterialien auf Silizium- und Zinnbasis sind aufgrund ihrer hohen Kapazitätsdichte zu idealen Elektrodenmaterialien für lithium-ionen-batterien geworden. In der Mechanik geht diese Art von Material jedoch häufig mit einer Verformung des großen Volumens während des Lade- und Entladevorgangs einher, was zu Bedingungen hoher Beanspruchung führt und Probleme wie Bruch und Zerstörung von Elektrodenstrukturen verursacht, die die Lebensdauer von Lithium ernsthaft beeinträchtigen -ion Batterien.

Um die Elektrodenstruktur angemessen zu gestalten und die durch die Struktur verursachten mechanischen Schäden zu vermeiden, ist es notwendig, die konstitutive Beziehung zwischen Kraft, Elektrizität und chemischer Kopplung des Elektrodenmaterials beim Laden und Entladen herzustellen. Der übliche Ansatz ist die Spannungsentwicklung während des Ladens und Entladens von Elektrodenmaterialien, die durch In-situ-Messungsexperimente und Stoney-Formeln erhalten wurden. Dieses Verfahren muss jedoch auf drei Annahmen beruhen: Die Dicke des Films ist viel kleiner als die Dicke des Substrats, die Dicke des Films ist während des Verformungsprozesses vernachlässigbar und die Haftung zwischen dem Film und dem Substrat ist gut. Zeit hochleistungsbatterien sind in der Regel schwer zu erfüllen. Diese Bedingungen.

Um dieses Problem zu lösen, entwickelte das Forscherteam des State Key Laboratory of Nonlinear Mechanics des Instituts für Mechanik der Chinesischen Akademie der Wissenschaften eine Reihe von Finite-Elemente-Berechnungsmethoden, die auf der Theorie der kraftelektrisch-chemischen Kopplung basieren Beschreiben Sie die Bomben der Elektrodenmaterialien während des Ladens und Entladens genau. Große plastische Verformung und inhärente Spannungsentwicklung. Die Finite-Elemente-Simulation wird nach dieser Methode durchgeführt. Die Fehleranalyse der Stoney-Formel, die durch die große elastisch-plastische Verformung des Elektrodenfilms verursacht wird, wird beschrieben. Die große Verformung, die elastoplastische konstitutive Beziehung des Elektrodenfilms und die Eigenschaft des Grenzflächenmaterials auf den Einfluss der Spannungs-Ladungs-Entladungs-Zustandskurve und die Übereinstimmung zwischen den Parametern des Elektrodenmaterials und den Eigenschaften der Spannungs-Ladungs-Entladungs-Zustandskurve. Diese Arbeit hat dazu beigetragen, die konstitutive Beziehung zwischen Kraft und elektrochemischer Kopplung von Elektrodenmaterialien während des Ladens und Entladens zu untersuchen.

Verwandte Forschungsergebnisse wurden in der internationalen Zeitschrift Journalofpowersources (Wen, J., Wei, Y., Cheng, YT, 2018) veröffentlicht. Untersuchung der Gültigkeit der Stoney-Gleichung für In-situ-Spannungsmessungen in Dünnschichtelektroden mit endlicher großer Verformung -Element-Verfahren. J. PowerSources, 387, 126-134.) und Journal of the Mechanics and Physics of Solids (J. Wen, Y. Wei, YT Cheng, 2018. Spannungsentwicklung inelastisch-plastischer Elektroden während elektrochemischer Prozesse : Anumerische Methode und ihre Anwendungen. J. Mech. Phys. Solids, 116, 403-415.). Die Forschung wurde von der National Natural Science Foundation in China, dem Pilotprojekt der chinesischen Akademie der Wissenschaften der Klasse B und der National Science Foundation in den USA unterstützt.

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