基于电化学-应力耦合模型的锂离子电池硅/碳核壳结构的模拟与优化

作     者：柳小伟 宋辉 郭美卿 王根伟 迟青卓 Liu Xiao-Wei;Song Hui;Guo Mei-Qing;Wang Gen-Wei;Chi Qing-Zhuo

作者机构：太原理工大学机械与运载工程学院太原030024 太原理工大学材料强度与结构冲击山西省重点实验室太原030024 太原理工大学机械与运载工程学院应用力学研究所太原030024 大连理工大学能源与动力学院大连116024 

基　　金：国家自然科学基金(批准号:11872265) 山西省自然科学基金(批准号:201901D111087,201801D121281)资助的课题 

出 版 物：《物理学报》 (Acta Physica Sinica)

年 卷 期：2021年第70卷第17期

页      码：277-287页

摘      要：硅基电极材料在应用中的一个主要问题是巨大的体积膨胀,以及由此带来的电极材料破裂、粉化.本文在有限变形假设前提下,基于电化学-力学耦合理论,研究球形Si/C核壳结构在嵌锂过程中的浓度、应力场的演化,并在此基础上讨论了核壳结构的优化设计.计算结果显示:壳层可以很好地保护硅颗粒的膨胀;然而核内产生的较大的径向压缩应力可能导致核壳界面的脱黏,而核壳界面处的切向拉伸应力可能会导致壳层的断裂.进一步为有效提高核壳结构的电化学与力学性能,从而实现锂离子电池更长的循环寿命,考虑了两种结构的优化:1)单层核壳结构;2)双层核壳结构.结果表明对于单层核壳结构应使用更软的包覆层材料;而双层核壳结构中优化的材料布置方案为内软外硬,对双层核壳结构的硬度分析表明,内层材料的杨氏模量应低于10 GPa,而外层材料的应不高于70 GPa.本文的结论对球形材料颗粒电极的设计及优化具有一定的指导意义.

主 题 词：锂离子电池 电化学-力学耦合 核壳结构 有限变形 

学科分类：0808[工学-自动化类] 08[工学] 

核心收录：

D　O　I：10.7498/aps.70.20210455

馆 藏 号：203104849...