過程中電極材料失效與其 幾何參數(shù)和材料參數(shù)間的失效機(jī)制圖，為控制大體積變化鋰化反應(yīng)，指導(dǎo)設(shè)計(jì)優(yōu)化電極結(jié) 構(gòu)提供依據(jù)，為從根本上解決電極材料的失效問題提供基礎(chǔ);解決了現(xiàn)有技術(shù)中必須通過 大量復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)來探究鋰離子電池高容量電極材料在充放電過程中的失效問題。
【附圖說明】
[0029] 【圖1】為本發(fā)明提供的通過量綱分析建立鋰離子電池高容量電極材料失效機(jī)制圖 的流程圖；
[0030] 【圖2】為薄膜結(jié)構(gòu)電極材料在不同鋰化時(shí)間的有限元模型示意圖，云圖表示的是 鋰離子濃度分布；
[0031] 【圖3】為薄膜結(jié)構(gòu)電極材料(a)表面斷裂和(b)界面剝離的臨界相圖；
[0032] 【圖4】為薄膜結(jié)構(gòu)電極材料基于幾何參數(shù)和材料參數(shù)的失效機(jī)制圖：（a)表面斷 裂，（b)界面剝尚。
【具體實(shí)施方式】
[0033]下面結(jié)合附圖，對優(yōu)選實(shí)施例作詳細(xì)說明。應(yīng)該強(qiáng)調(diào)的是，下述說明僅僅是示例性 的，而不是為了限制本發(fā)明權(quán)利要求的保護(hù)范圍。
[0034] 實(shí)施例1
[0035] 選取薄膜結(jié)構(gòu)電極材料為研究對象，考慮其在充電過程中的鋰化變形過程，研究 其在鋰化變形過程中基于幾何參數(shù)和材料參數(shù)的失效機(jī)制圖。
[0036] 圖1是采用量綱分析建立薄膜結(jié)構(gòu)電極材料在充電過程中失效機(jī)制圖的整個(gè)流程 的示意圖。
[0037] 在薄膜結(jié)構(gòu)電極材料的充電過程中，活性材料不產(chǎn)生斷裂或與基底間的剝離等失 效現(xiàn)象情況下的破壞能Γ體現(xiàn)了電極材料抵抗失效的能力。影響電極材料斷裂和剝離的參 數(shù)有很多。首先，列出與薄膜結(jié)構(gòu)電極材料失效相關(guān)的主要參數(shù)：
[0038] Γ = Γ (ho，E，〇Y，v，SOC)
[0039] 其中，ho是鋰化前薄膜的初始厚度，E，〇Y和v分別表示活性材料的楊氏模量，屈服強(qiáng) 度和泊松比，S0C(state of charge)表示失效時(shí)的臨界電荷狀態(tài)。
[0040] 將這些參數(shù)分為兩大類，即幾何參數(shù)，（包括鋰化前薄膜的初始厚度ho等）；材料參 數(shù)，（包括活性材料的破壞能Γ，楊氏模量E，屈服強(qiáng)度 〇Y和泊松比v等）。基于量綱分析的Π 定理，與電極材料失效相關(guān)的主要參數(shù)中只有兩種參數(shù)是量綱獨(dú)立的，其他參數(shù)都可以用 這兩個(gè)量綱獨(dú)立的參數(shù)的指數(shù)積的形式表示，這兩個(gè)獨(dú)立的量綱是應(yīng)力的量綱[Ε]和長度 的量綱[ho]，選取活性材料的楊氏模量Ε和鋰化前薄膜的初始厚度ho。在不考慮參數(shù)之間耦 合的情況下，可以得到基于幾何參數(shù)和材料參數(shù)的無量綱的函數(shù)關(guān)系為：
[0041]
[0042] 然后，采用有限元軟件ABAQUS 6.12建立彈-塑性擴(kuò)散鋰化有限元模型，對薄膜結(jié) 構(gòu)電極材料在不同的幾何參數(shù)和材料參數(shù)情況下的鋰化過程進(jìn)行模擬。如圖2所示，表示的 是典型的薄膜結(jié)構(gòu)電極材料鋰化過程的有限元模型示意圖，為了得到擴(kuò)散鋰化進(jìn)程和準(zhǔn)確 的應(yīng)力演化，模型中使用了細(xì)網(wǎng)格，網(wǎng)格大小設(shè)為全局尺寸的0.5%。在有限元模型中，電極 材料的幾何參數(shù)和材料參數(shù)的取值范圍如表1所示。根據(jù)有限元數(shù)值模擬結(jié)果，通過函數(shù)擬 合，得到薄膜結(jié)構(gòu)電極材料斷裂和剝離時(shí)關(guān)于幾何參數(shù)和材料參數(shù)的無量綱函數(shù)具體表達(dá) 式為：
[0043] 對于表面斷裂，
[0044]
[0045] 對于界面剝離，
[0046]
[0047] 通過上述具體的函數(shù)表達(dá)式，便可以建立薄膜結(jié)構(gòu)電極材料充電過程中幾何參數(shù) 和材料參數(shù)的失效機(jī)制圖。圖3表示的是薄膜結(jié)構(gòu)電極材料(a)表面斷裂和(b)界面剝離的 臨界相圖，表明擬合結(jié)果是準(zhǔn)確的。圖4是得到的薄膜結(jié)構(gòu)電極材料在不同幾何參數(shù)和材料 參數(shù)下的失效機(jī)制圖：（a)表面斷裂，（b)界面剝離。
[0048]表1模型中電極材料的參數(shù)
[0049]
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種通過量綱分析建立裡離子電池高容量電極材料在充放電過程中失效機(jī)制圖的 方法，其特征在于： (1) 根據(jù)n定理，建立裡離子電池高容量電極材料充放電過程中，失效時(shí)破壞能與電極 材料充放電過程中各主要參數(shù)之間的無量綱關(guān)系： r = r 化，e，〇y，v，soc) 其中， 「表示失效時(shí)破壞能， h表示裡化前電極結(jié)構(gòu)的尺寸相關(guān)參數(shù)， E，曰Y和V分別表示活性材料的楊氏模量、屈服強(qiáng)度和泊松比， SOC表示失效時(shí)臨界電荷狀態(tài)； 在與「有關(guān)的各主要參數(shù)中，選取具有獨(dú)立量綱的參數(shù)E和h，W指數(shù)積形式來表示其 它參數(shù)，得到無量綱函數(shù)關(guān)系：(2) 選取一系列參數(shù)h和〇y/E，基于連續(xù)介質(zhì)損傷力學(xué)和彈-塑性擴(kuò)散裡化的有限元數(shù)值 模擬，得到「與h和〇y/E的離散數(shù)值點(diǎn)，選取合適擬合函數(shù)，建立「與h和〇y/E之間的無量綱 函數(shù)關(guān)系：(3) 通過函數(shù)關(guān)系表達(dá)式，建立針對包括納米薄膜、納米線、納米球在內(nèi)的特定電極結(jié) 構(gòu)的充放電過程中各主要參數(shù)的失效機(jī)制圖。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的通過量綱分析建立裡離子電池高容量電極材料在充放電過程 中失效機(jī)制圖的方法，其特征在于:在不考慮參數(shù)之間禪合的前提下，充放電過程對裡離子 電池高容量電極材料失效影響的參數(shù)包括幾何參數(shù)和材料參數(shù)。3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的通過量綱分析建立裡離子電池高容量電極材料在充放電過程 中失效機(jī)制圖的方法，其特征在于:所述的幾何參數(shù)包括h;所述的材料參數(shù)包括「、E、曰Y和 Vo
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種通過量綱分析建立鋰離子電池高容量電極材料在充放電過程中失效機(jī)制圖的方法；該方法是首先根據(jù)Π定理，對電極材料充放電過程中所涉及的主要參數(shù)進(jìn)行量綱分析，并建立無量綱函數(shù)關(guān)系式；然后通過有限元計(jì)算和函數(shù)擬合確定無量綱函數(shù)的具體表達(dá)式；再進(jìn)一步建立電極材料充放電過程中的失效機(jī)制圖，該方法簡單、高效，通過量綱分析準(zhǔn)確建立了鋰離子電池高容量電極材料在充放電過程中失效機(jī)制圖的方法，解決了現(xiàn)有技術(shù)中通過復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)來探究鋰離子電池高容量電極材料在充放電過程中的失效的問題；為控制大體積變化鋰化反應(yīng)，指導(dǎo)設(shè)計(jì)優(yōu)化電極結(jié)構(gòu)提供依據(jù)，為從根本上解決電極材料的失效問題提供基礎(chǔ)。
【IPC分類】G06F17/50
【公開號】CN105653762
【申請?zhí)枴?br>【發(fā)明人】馬增勝, 王程鵬, 張晶, 高翔, 潘勇
【申請人】湘潭大學(xué)
【公開日】2016年6月8日
【申請日】2015年12月22日