考虑介质膨胀速率的锂离子电池管状电极中扩散诱导应力及轴向支反力分析

硅作为锂离子电池阴极材料相对于传统负极材料具有高比容量,价格低廉等优势.本文针对充电过程中锂离子电池中电极建立力学模型和扩散模型,并在扩散模型引入考虑介质膨胀速率的影响.以硅空心柱形电极为例,分析了恒流充电下介质膨胀速率对电极中扩散诱导应力分布的影响,并研究了不同内外半径比、充电速率、材料参数以及锂化诱导软化系数(lithiation induced softening factor,LISF)对轴向的支反力达到临界欧拉屈曲力所需时间的影响.结果表明,随着电极中锂浓度上升,介质膨胀速率对应力分布的影响增大,对轴向的支反力影响较小.弹性模量和应力成正比,但其与轴向的支反力达到临界欧拉屈曲力所需时间无关;扩散系数与所需时间成反比;偏摩尔体积增大时,达到临界屈曲力所需时间减少;随着LISF绝对值增大,完全锂化时轴向力降低.     

集流体塑性变形对锂离子电池双层电极中锂扩散和应力的影响

针对锂离子电池双层电极结构,建立了综合考虑锂扩散、应力、浓度影响的材料属性及集流体弹塑性变形的理论模型.基于所建立的模型,主要研究了在充电过程中集流体可能发生的塑性变形对电极中锂扩散及应力的影响.数值结果表明集流体的塑性变形会减弱其对活性层的约束,这不仅使得集流体和活性层中的应力得到明显缓解,而且还促进了锂在活性层中的扩散,提高了活性层的有效容量.与此同时,研究了集流体的屈服强度和塑性模量这两个参数的影响,结果表明,较小的屈服强度和较小的塑性模量能进一步弱化约束,松弛电极活性层中的应力,并增加其有效充电容量.研究结果为分层电极的结构设计和性能优化提供了一定的参考.     

平面应变问题广义有限元法

结合广义有限元和理性有限元,针对平面应变问题提出一种广义四边形单元.该单元考虑泊松效应,以节点位移自由度约束弹性力学平面应变方程的半解析解,构造单元位移模式的附加项,较准确地反映真实位移场,提高了单元的计算精度.首先推导广义单元及其等参单元的形函数,之后设计分片试验和数值算例来验证单元的精度,数值算例表明,在规则和非规则网格下新单元计算精度均优于传统有限元和广义有限元.新单元精度高且易于程序实现,可应用于实际工程的结构分析.     

锂离子电池电极材料的第一性原理研究进展

文章综述了第一性原理计算在锂离子电池电极材料模拟与设计方面的研究进展.电极材料的研究包括电极材料的电子结构和电子导电性的研究,嵌锂电位、锂离子输运特性、嵌锂过程中局部结构弛豫与相变以及材料表面特性研究等方面,第一性原理计算在上述诸方面的研究都取得了一定的进展.这些理论上的研究成果,可以帮助人们加深对材料性能与机理的理解,同时对材料的设计也具有指导意义.     

锂离子电池正极材料LiMnPO4研究进展

综述了新型锂离子电池正极材料LiMnPO4的研究进展,重点对该材料的结构、结构与电化学性能的关系、阳离子掺杂对材料性能的影响、多种合成方法和材料改性措施进行了较详细的评述,并对该材料的应用前景进行了展望.     

以碳粉为负极材料制备锂离子电池及电池性能测试

在能量存储技术中,锂离子电池是高能量密度的电化学电源.以碳为负极材料,涂膜制备了负极片,以锂片为正极片制备了CR2016锂离子电池,并对其性能进行了测试,分析了碳粉为锂电负极材料的特性.     

锂离子电池掺钴正极材料电子结构的DV-Xa研究

采用原子基表示的第一原理赝势方法，计算了正极材料LiMn2O4的电子结构，发现LiMn2O4的价带主要是由Mn(8)和Mn(9)的3d轨道和O(7)、O(6)、O(4)的2p轨道构成，导带主要是由Mn(8)和Mn(9)的3d轨道和O(7)的2p轨道构成．通过计算Li5Mn2C0O8的电子结构，发现在LiMn2O4中用钴离子取代16d位锰离子将使电极材料的费米能减小，放电电压降低；锂离子的净电荷增大，锂离子与氧离子的相互作用增强，可逆容量降低；同时由于价带宽度变窄，Co-O键间的相互作用比Mn-O键间的相互作用强，所以，结构稳定性增加，电极循环性能改善．     

锂离子电池掺钴正极材料电子结构的DV-Xα研究

采用原子基表示的第一原理赝势方法 ,计算了正极材料LiMn2 O4的电子结构 ,发现LiMn2 O4的价带主要是由Mn(8)和Mn(9)的 3d轨道和O(7)、O(6 )、O(4 )的 2p轨道构成 ,导带主要是由Mn(8)和Mn(9)的 3d轨道和O(7)的 2 p轨道构成 .通过计算Li5Mn7CoO8的电子结构 ,发现在LiMn2 O4中用钴离子取代 16d位锰离子将使电极材料的费米能减小 ,放电电压降低 ;锂离子的净电荷增大 ,锂离子与氧离子的相互作用增强 ,可逆容量降低 ;同时由于价带宽度变窄 ,Co-O键间的相互作用比Mn -O键间的相互作用强 ,所以 ,结构稳定性增加 ,电极循环性能改善 .     

锂离子电池负极材料CuSn的Li嵌入性质的研究

使用基于混合基表示的第一原理赝势法，研究了锂离子电池非碳类负极材料CuSn的Li嵌入时的形成能以及相应的电子结构.还给出了Li嵌入时的体积变化，能带结构、电子态密度以及电荷密度分布等性质, 并讨论了CuSn作为负极材料的特点.计算发现，Cu-Sn化合物在闪锌矿结构时，Li嵌入主体材料时的嵌入形成能大致在3.5eV附近. 关键词： 锂离子电池 负极材料 CuSn 电子结构     

一种求解锂离子电池单粒子模型液相扩散方程的新方法

电解液中的锂离子浓度表达是锂离子电池电化学模型求解的基本任务之一.为了平衡单粒子模型的液相动态性能和计算效率,假设反应仅发生在集电极和电解质界面上,为此,提出一种基于液相扩散方程无穷级数解析解的界面浓度求解新方法.在恒流工况下,利用数列单调收敛准则将解析解转化为一个收敛和函数.在动态工况下,将该解析解简化为输入与和函数的无限离散卷积.利用和函数随时间单调衰减并收敛至零的特性对其进行截断,从而得到有限离散卷积求解算法.对比专业有限元分析软件,该方法在恒流工况和动态工况下均能以较少的计算时间获得相当好的精度.而且,该方法仅有一个配置参数.因此,所提方法将有效减小应用于实时电池管理系统上的电化学模型计算负担.     

The behavior of a many-particle electrode in a lithium-ion battery

We study a rechargeable lithium-ion battery that uses a many-particle FePO₄ electrode to reversibly store lithium atoms. This process is accompanied by a phase transition and charging/discharging run along different paths, so that hysteretic behavior is observed.Although there are experimental studies suggesting that the overall behavior of the battery is a many-particle effect, most authors exclusively describe the phase transition within a single particle model of the electrode.In this work, we study in detail a many-particle model for the electrode. The model is capable to describe a kind of phase transition where each individual particle of the electrode is homogeneous. It will be shown that the particles are either in the first phase or in the second phase. This phenomenon is due to the non-monotone relation between the chemical potential and the lithium mole fraction of a single particle.The pressure-radius relation of a spherical elastic rubber balloon also exhibits non-monotone behavior. In fact, a system of many interconnected balloons behaves correspondingly to an electrode consisting of many storage particles. The analogy between the two systems is important, because the predictions of the many-particle model can easily be tested with rubber balloons of macroscopic size than with an ensemble of microscopically small (FePO₄) particles.     

全固态锂离子电池内部热输运研究前沿

本文简要阐述了全固态锂离子电池的特点及其内部热输运研究的意义.介绍并总结了国内外与正极材料、负极材料、固态电解质,以及电极与电解质界面热输运性质相关的实验和理论工作.针对脱嵌锂过程对电极材料热导率的影响机理尚不明确,非晶态转变对电极材料热输运研究的挑战,界面热输运模型与方法不足等问题,系统梳理了全固态锂离子电池内部热输运的重要前沿科学问题.     

Multi-scale computation methods: Their applications in lithium-ion battery research and development

Based upon advances in theoretical algorithms, modeling and simulations, and computer technologies, the rational design of materials, cells, devices, and packs in the field of lithium-ion batteries is being realized incrementally and will at some point trigger a paradigm revolution by combining calculations and experiments linked by a big shared database,enabling accelerated development of the whole industrial chain. Theory and multi-scale modeling and simulation, as supplements to experimental efforts, can help greatly to close some of the current experimental and technological gaps,as well as predict path-independent properties and help to fundamentally understand path-independent performance in multiple spatial and temporal scales.     

Electrochemical properties of SnO2 nanorods as anode materials in lithium-ion battery

Well-dispersed SnO2 nanorods with diameter of 4-15 nm and length of 100-200 nm are synthesised through a hydrothermal route and their potential as anode materials in lithium-ion batteries is investigated. The observed initial discharge capacity is as high as 1778 mA·h/g, much higher than the theoretical value of the bulk SnO2 (1494 mA·h/g). During the following 15 cycles, the reversible capacity decreases from 929 to 576 mA·h/g with a fading rate of 3.5% per cycle. The fading mechanism is discussed. Serious capacity fading can be avoided by reducing the cycling voltages from 0.05-3.0 to 0.4-1.2 V. At the end, SnO2 nanorods with much smaller size are synthesized and their performance as anode materials is studied. The size effect on the electrochemical properties is briefly discussed.     

基于电化学老化衰退模型的锂离子动力电池外特性

当前锂离子动力电池电化学模型存在模型复杂、建模难度大、计算效率低、老化评估效果差的问题,本文提出一种考虑电池衰退老化的机理模型(ADME).本文首先通过有限差分法对伪二维(P2D)电化学模型进行离散降阶处理,得到简化伪二维(SP2D)模型.在SP2D模型的基础上,基于阴阳两极发生的副反应导致的衰退老化现象,提出一种考虑电池衰退老化的机理模型.其次,使用多变量偏差补偿最小二乘法实现模型参数辨识.最后通过动力电池衰退老化性能循环实验,对比分析了恒流、脉冲工况下SP2D模型和ADME模型的终端电压输出.结果表明:ADME模型较为简单、计算效率和估算精度高,可以有效评估电池容量老化衰退,得到理想的锂离子动力电池外特性曲线.     

基于电化学-热耦合模型研究隔膜孔隙结构对锂离子电池性能的影响机制

隔膜孔隙结构对锂离子电池性能具有重要的影响,本文提出了可准确描述充放电过程中锂离子电池内部复杂物理化学现象的电化学-热耦合模型,发现该模型较文献中模型的计算结果更接近实验测试数据.利用该模型探讨了隔膜孔隙率与扭曲率分别对锂离子电池性能的影响规律,发现减小孔隙率或增大扭曲率,电池输出电压、最大放电容量和平均输出功率均不断降低,电池表面温度和温升速度均不断升高;当孔隙率减小或扭曲率增大到一定程度时,放电初期电池输出电压均会出现先下降后回升的现象,且孔隙率越小或扭曲率越大,其下降的幅度越大、速度越快,回升所需时间也越长;要确保其不低于截止电压,隔膜扭曲率必须小于临界扭曲率(其下降至最低点刚好等于截止电压时的隔膜扭曲率).综合分析了放电过程中电池内部各电化学参量和产热量的动态分布规律,发现隔膜孔隙率和扭曲率主要影响放电末期电极膜片内部电化学反应以及其他放电时刻电解液中有效Li~+扩散(传导)系数.     

Analysis on the capacity degradation mechanism of a series lithium-ion power battery pack based on inconsistency of capacity

The lithium-ion battery has been widely used as an energy source. Charge rate, discharge rate, and operating tem- perature are very important factors for the capacity degradations of power batteries and battery packs. Firstly, in this paper we make use of an accelerated life test and a statistical analysis method to establish the capacity accelerated degradation model under three constant stress parameters according to the degradation data, which are charge rate, discharge rate, and operating temperature, and then we propose a capacity degradation model according to the current residual capacity of a Li-ion cell under dynamic stress parameters. Secondly, we analyze the charge and discharge process of a series power battery pack and interpret the correlation between the capacity degradations of the battery pack and its charge/discharge rate. According to this cycling condition, we establish a capacity degradation model of a series power battery pack under inconsistent capacity of cells, and analyze the degradation mechanism with capacity variance and operating temperature difference. The comparative analysis of test results shows that the inconsistent operating temperatures of cells in the series power battery pack are the main cause of its degradation; when the difference between inconsistent temperatures is narrowed by 5 ℃, the cycle life can be improved by more than 50%. Therefore, it effectively improves the cycle life of the series battery pack to reasonably assemble the batteries according to their capacities and to narrow the differences in operating temperature among cells.     

锂离子动力电池极片的激光切割分析

为适应锂离子动力电池行业发展需求,寻求一种高效高质切片方式,本文研究了多种激光器的切片质量。通过影像测量仪和扫描电镜(SEM)对比发现,100 ns脉宽调Q型1 064 nm光纤激光器切割正极铝箔时毛刺和热影响区(HAZ)约为15μm和60μm,切负极铜箔时HAZ约为200μm; 20 ns脉宽的MOPA光纤激光器切割铝箔毛刺10μm,HAZ约为20μm,切铜箔时HAZ约70μm;脉宽为10 ps的固体激光器切割铝箔毛刺和HAZ分别约为6μm和10μm,切铜箔时实现无熔融重凝区; 20 ns脉宽的355 nm紫外和532 nm的绿光固体激光器切割铝箔HAZ分别为10μm和17μm,切铜箔时HAZ则分别为大于70μm和100μm。实验结果表明:脉宽越窄,重复频率越高,切割的极片质量越好,ps激光器切割的极片精度最高,质量最好,是切割极片最理想激光器。而目前,频率高、脉宽相对窄的MOPA光纤激光器切割速度最高,切割的正极片完全满足工业要求,更适合极片切割的工业推广。