离子聚合物胶体的电化学-力学耦合模型及数值方法

离子聚合物胶体中充满着液体,并能吸附电荷,在外部化学场或电场的激励下,能产生巨大的膨胀。由于这些特性,离子聚合物可以作为电化学-力学驱动器。本文采用电化学-力学多场耦合数学模型,并应用有限元法进行了数值计算。计算结果表明该模型能很好地模拟离子聚合物在电场作用下的离子重分布和胶体的膨胀与收缩行为,同时能计算胶体中离子浓度。

腐蚀缺陷对921A钢力学-电化学性能的影响

针对目前舰船腐蚀电场方面的研究没有考虑舰船在服役环境中因应力应变造成腐蚀加剧的问题,基于金属/溶液的力学-电化学耦合模型,推导应力应变条件下腐蚀缺陷深度和缺陷宽度对舰船921A钢壳体及溶液应力分布,腐蚀电位、电流密度以及腐蚀电场影响规律的理论表达式,采用COMSOL Multiphysics软件对耦合模型开展仿真计算。研究结果表明:腐蚀缺陷深度越大或者缺陷宽度越小,腐蚀缺陷处的应力集中越明显;溶液中的电位差随着缺陷深度的增大而增大,金属/溶液界面的腐蚀电位随着缺陷深度的增大而急剧负移,而腐蚀电位随着缺陷宽度的减小小幅负移;缺陷深度对阳极电流密度、阴极电流密度和净电流密度的影响均大于缺陷宽度,缺陷两端点的净电流密度为负;电场模量随着缺陷深度的增大而逐渐增大,随着缺陷宽度的增大而逐渐减小。

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

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.

海洋环境下金属管道力-腐蚀电场耦合特性分析

对于存在预紧力和腐蚀缺陷的金属管道,在缺陷处经常发生局部弹塑性形变,并影响金属管道的腐蚀电场特性。以存在椭球形腐蚀缺陷的20#钢金属管道为研究对象,建立了金属管道弹塑性应力应变与局部电化学腐蚀的力学-电化学耦合模型,研究了不同拉伸位移对金属管道应力分布和腐蚀电场特性的影响。结果表明,不同拉伸位移下,Mises应力、腐蚀电位、腐蚀电流密度和腐蚀电场模值大小均相对缺陷中心对称分布,最大值均出现在腐蚀缺陷中心处,且数值均随着拉伸位移增大而增大。塑性变形阶段对缺陷局部电化学特性的影响显著大于弹性变形阶段。腐蚀缺陷处的腐蚀由一系列微小原电池组成,拉伸位移增大将加快缺陷处腐蚀速度。

锂离子电池电极材料的断裂现象及其研究进展

锂离子电池中的多场耦合问题是目前研究的热点,其中电极材料的断裂行为更是目前固体力学的研究前沿.锂离子电池电极材料的断裂现象与电池性能退化存在密切关系,是锂离子电池中的核心力学问题之一,也是研究电池力学-电化学耦合失效的关键课题.本文从锂离子电池的结构和组成入手,介绍了电极材料断裂与电池充放电过程中电化学性能退化的相关机理,综述了观测电极材料断裂的实验现象,并重点评述了锂离子电池电极材料断裂的理论模型与数值分析等方面的最新国际研究进展.最后本文给出了这方面今后应进一步研究的问题.

锂离子电池负极材料力学行为研究进展

可充电锂离子电池被广泛应用于便携式电子设备、电动汽车等领域。随着其应用领域的快速发展,迫切需要进一步提高其能量密度。本文综述对目前广泛研究的高能量密度负极材料(如硅、锗)在充/放电过程中力学行为的研究进展;基于最新实验手段及数值模拟方法,介绍负极材料由于电化学-力学耦合所造成的变形和破坏,并讨论相关技术在其他电池系统研究中的应用。