恒流充电有限柱体电极浓度分布及扩散诱导应力解析分析

常见的柱状电极模型中,在轴向方向一般采用无限长假设广义平面应变分析方法,本文考虑恒流充电下有限柱形电极模型,基于力-化耦合一般方程,推导出位移与扩散诱导应力解析解.有限柱体电极中浓度分布由仅考虑径向扩散和仅考虑轴向扩散两部分叠加求解.将浓度函数代入力学方程,使用Boussinesq-Papkovich函数得到应力分量解析解.计算了表面自由柱状电极中浓度和应力场,并将其结果与有限元软件计算的结果进行对比计算.结果表明,理论解和数值解中浓度分布一致,应力分量趋势一致数值相差较小,在荷电状态为17.9%时径向应力在中心处相对误差最大约为4%.本文分析了不同长径比柱状电极中径向和轴向单向扩散对应力场的影响,结果表明,随着长径比的增大,轴向扩散对浓度分布影响下降,径向扩散对应力场影响上升.

广义平面应变锂离子电池柱形梯度材料颗粒电极中扩散诱导应力分析

柱形梯度材料是最有潜力的锂离子电池电极之一.为了研究恒压充电过程中柱形梯度材料颗粒电极下力学机理,以Li_(1.2)(Mn_(0.62)Ni_(0.38))_(0.8)O_2为例,讨论弹性模量、扩散系数和偏摩尔体积三个重要材料参数对应力场影响.并推导出非均匀柱形颗粒电极的扩散方程和力学方程.结果表明,柱形梯度材料纳米电极,沿着半径方向Mn的材料组分升高Ni的材料组分降低,其材料结构有利于降低最大径向应力和环向拉应力,有效地避免电极的力学失效现象.并根据计算结果,对梯度材料电极提出材料结构优化建议.

基于Gibbs自由能变的柱形梯度电极扩散应力研究

柱形梯度电极是新型锂电池电极之一。考虑了应力变化对吉布斯自由能的影响,得出梯度电极材料的扩散方程与力学方程。以Li_(1.2)(Mn_(0.62)Ni_(0.38))_(0.8)O_2为例,为了讨论在恒压条件下梯度电极材料非均匀性对应力的演化影响,将电极的扩散系数、杨氏模量和偏摩尔体积三个参数视为柱坐标系下径向坐标的线性函数。结果表明,导致电极材料力学退化的环向拉应力得到了明显的降低。这项研究为降低柱形梯度电极材料的扩散应力提供了有用的理论指导。

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.