锂离子扩散-应力耦合多尺度内聚力有限元方法研究

论文摘要

锂离子电池依靠锂离子在正负极间的移动扩散来实现充电和放电过程,其电极材料中的扩散与力学行为是影响电池性能和安全的重要因素。锂离子的扩散行为通常会导致浓度的不均匀分布,进而产生不均匀的变形,引起扩散诱导应力。而扩散诱导应力可能导致电极材料的开裂,造成电极容量衰减,电池性能退化。为了研究锂离子电池充放电过程中电极材料内的浓度变化和应力演化,服务于电极材料锂化过程中力学行为的改善,本文基于多尺度内聚力有限元法建立了电极材料中的锂离子扩散-应力耦合有限元理论,论文的主要研究内容及成果如下:1.通过将化学能与应变能相结合,在基于Cauchy-Born准则的多尺度内聚力有限元方法中引入扩散势,建立了锂离子扩散过程中的扩散-应力耦合方程并推导其有限元离散格式。2.编写了基于三角形三节点单元的锂离子扩散-应力耦合效应分析程序。在该程序中采用了LJ作用势函数,实现了基于二维六边形单胞的Cauchy-Born准则的应用和多尺度应力的计算。3.以负极材料薄膜硅为例建立了不含晶界、含晶界以及两种情况下不含裂纹、含裂纹时的数值算例模型,其中含晶界的情况是应用二维Voronoi算法进行晶粒的几何建模,采用多尺度内聚力模型模拟晶界,对于裂纹的模拟同样利用内聚力单元来实现。4.对无晶界情况下的电极材料中锂离子扩散-应力耦合行为进行了计算分析,模拟了锂离子嵌入电极材料过程中耦合场的变化情况,对不含裂纹和含裂纹情况下的耦合场均进行了计算分析。相较于不含裂纹的情况,含线型裂纹的电极材料在锂离子的嵌入过程中表现出明显的裂纹尖端处的应力集中,这极易导致结构失效。5.对含晶界情况下的电极材料中锂离子扩散-应力耦合行为进行了计算分析,同样考虑有无裂纹的情况分别讨论。在晶粒扩散系数不变的情况下,晶界的扩散系数越大结构的应力水平越高,且晶粒密度越小结构的应力水平越高。相比于无晶界情况,多晶结构的电极材料中扩散诱导应力更小。以上研究成果表明本文所提出的多尺度内聚力有限元扩散-应力耦合理论能够同时考虑材料晶界和裂纹情况对锂离子嵌入电极材料的过程进行模拟并得到合理的浓度变化和应力演化结果。该理论的提出对于探寻锂离子电池电极材料中的力学行为、降低材料力学损伤、提高电池性能等都有积极的推动意义。

论文目录

• 中文摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
•   1.1 锂离子电池简介
•     1.1.1 锂离子电池结构
•     1.1.2 锂离子电池工作原理
•   1.2 研究背景及意义
•   1.3 国内外研究现状
•     1.3.1 锂离子电池电极材料中的力学观测研究现状
•     1.3.2 电极材料中的锂离子扩散及应力演化理论研究现状
•     1.3.3 多尺度内聚力有限元方法研究现状
•   1.4 本文主要研究内容
• 第2章 多尺度内聚力有限元扩散-应力耦合理论
•   2.1 锂化过程中的扩散和变形
•   2.2 基于Cauchy-Born准则的多尺度内聚力有限元方法
•   2.3 扩散-应力耦合方程的建立
•     2.3.1 扩散方程的建立
•     2.3.2 应力平衡方程的建立
•   2.4 有限元格式的推导
•     2.4.1 扩散方程的有限元格式推导
•     2.4.2 应力平衡方程的有限元格式推导
•   2.5 有限元方程的求解方案
•     2.5.1 扩散方程的求解
•     2.5.2 应力平衡方程的求解
•   2.6 程序实现
•     2.6.1 程序设计
•     2.6.2 程序实现流程
•   2.7 本章小结
• 第3章 无晶界的电极材料扩散-应力耦合分析
•   3.1 无裂纹情况耦合分析
•   3.2 含裂纹情况耦合分析
•   3.3 无裂纹和含裂纹情况耦合结果对比
•   3.4 本章小结
• 第4章 含晶界的电极材料扩散-应力耦合分析
•   4.1 无裂纹情况耦合分析
•     4.1.1 晶粒与晶界的扩散系数相对大小对耦合场的影响
•     4.1.2 不同晶粒密度对耦合场的影响
•   4.2 含裂纹情况耦合分析
•     4.2.1 晶粒与晶界的扩散系数相对大小对耦合场的影响
•     4.2.2 不同晶粒密度对耦合场的影响
•   4.3 无晶界和含晶界情况耦合结果对比
•   4.4 本章小结
• 第5章 总结与展望
•   5.1 总结
•   5.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 攻读硕士期间发表的论文及参与的科研项目

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 陈莉

导师: 刘立胜,刘齐文

关键词: 多尺度内聚力有限元,锂离子电池电极,扩散应力耦合,裂纹,多晶

来源: 武汉理工大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅱ辑

专业: 数学,工业通用技术及设备,电力工业

单位: 武汉理工大学

分类号: TB115;TM912

DOI: 10.27381/d.cnki.gwlgu.2019.000696

总页数: 73

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