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锂离子电池的劣化:力-电化学耦合机理与模型
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作者 吕浡 陈鑫松 +2 位作者 周志宇 宋亦诚 张俊乾 《力学季刊》 CAS CSCD 北大核心 2024年第2期287-308,共22页
锂离子电池在充放电循环过程中会不可避免地发生容量衰减,这种性能劣化现象普遍存在,且符合人们的日常认知.然而,显而易见的电池劣化现象背后的机理则是相当复杂.本文首先分别从颗粒尺度和电极尺度入手,对锂离子电池的多尺度-多场-多过... 锂离子电池在充放电循环过程中会不可避免地发生容量衰减,这种性能劣化现象普遍存在,且符合人们的日常认知.然而,显而易见的电池劣化现象背后的机理则是相当复杂.本文首先分别从颗粒尺度和电极尺度入手,对锂离子电池的多尺度-多场-多过程的力-电化学耦合劣化机理进行了梳理,其中对固态电池的劣化进行了单独的讨论.进一步地,本文梳理了用以描述锂离子电池力-电化学耦合劣化行为的劣化模型.需要指出的是,由于电池劣化机理的复杂性和外部可测量的稀缺性,建立劣化模型是具有挑战性的,且目前仍存在巨大的研究空白.基于此,本文提出了一种双向劣化模型的设想,融合物理模型和数据模型,以具有一定物理意义的内变量为纽带,建立围绕内变量的“力学行为-内变量-劣化行为”完整映射,为客观、准确地描述和预测电池劣化行为提供新思路. 展开更多
关键词 锂离子电池 性能劣化 力-电化学耦合 机理 物理模型 数据模型
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基于电化学-热-力耦合模型的锂离子电池热失控研究
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作者 张赛 汪振毅 胡世旺 《安全与环境学报》 CAS CSCD 北大核心 2024年第2期551-559,共9页
为提升锂离子电池的安全性能,减少由热失控导致的安全事故,分析电池温升的原因并有效降低其温度,依据电化学反应中浓度、电势与热模型中温度的相互影响关系,建立电化学-热-力耦合模型。通过模拟单电池和电池组温度分布的实时情况,分析... 为提升锂离子电池的安全性能,减少由热失控导致的安全事故,分析电池温升的原因并有效降低其温度,依据电化学反应中浓度、电势与热模型中温度的相互影响关系,建立电化学-热-力耦合模型。通过模拟单电池和电池组温度分布的实时情况,分析单电池温度不均匀分布和电池组温度正态分布情况的原因,探讨换热面积和流通量对散热量的影响,研究电池组中单体电池的位置分布及不同传热介质的散热情况。研究结果显示:低温和相对高温环境下,欧姆热、极化热及电化学反应热产热占比不同,但产热最高温度未达到电极材料与电解液分解反应的临界温度420 K;高温环境下,电池温度持续升高接近临界温度,出现热失控趋势,对流换热系数对电池影响较大。电池组间隙为10 mm和20 mm时,整体温度比间隙为0时分别降低了1.1%和1.8%;与无间隙电池组相比,以铜板和铝板为传热介质的电池组温度分别降低了2.0%和1.6%。 展开更多
关键词 安全工程 电化学--耦合 间隙电池组 对流换热系数 热失控
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基于电化学-力耦合模型的锂离子电池充电过程中石墨颗粒的应力模拟 被引量:2
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作者 梅文昕 王青松 孙金华 《工程力学》 EI CSCD 北大核心 2020年第S01期352-357,共6页
在锂离子电池的充放电过程中,随着电极颗粒中锂的嵌入和脱出,颗粒会发生膨胀和收缩而导致应力的产生,应力过大时会发生电极材料的脱落、破裂,致使电池内阻增加、循环性能下降、容量衰减,最终导致电池失效。该文对正负极椭球颗粒建立三... 在锂离子电池的充放电过程中,随着电极颗粒中锂的嵌入和脱出,颗粒会发生膨胀和收缩而导致应力的产生,应力过大时会发生电极材料的脱落、破裂,致使电池内阻增加、循环性能下降、容量衰减,最终导致电池失效。该文对正负极椭球颗粒建立三维电化学-力耦合模型,计算了充电过程中电极颗粒的锂浓度分布以及负极石墨颗粒的应力分布。结果表明:两个颗粒接触的部位应力较大,且过大的应力会削弱锂离子的脱嵌能力,导致两个负极颗粒接触的部位锂浓度较低而两个正极颗粒接触的部位锂浓度较高。此外,颗粒表面径向应力为零,径向应力最大值出现在颗粒中心,最大切向应力出现在两个颗粒接触的表面。 展开更多
关键词 锂离子电池安全 电化学-耦合模型 锂浓度 电极颗粒
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锂离子电池电化学-热-力耦合数值模拟及分析 被引量:1
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作者 马德正 李培超 +2 位作者 岳飞龙 张贝贝 邓辉良 《农业装备与车辆工程》 2021年第11期43-47,共5页
建立了锂离子电池电化学-热-力耦合模型,并使用COMSOL Multiphysics软件进行了数值求解。研究了电化学-热-力耦合模型与电化学-力耦合模型的差异,对比了温度场以及电极粒子内部浓度场的变化,同时分析了隔膜孔隙度变化时外载对电池电压... 建立了锂离子电池电化学-热-力耦合模型,并使用COMSOL Multiphysics软件进行了数值求解。研究了电化学-热-力耦合模型与电化学-力耦合模型的差异,对比了温度场以及电极粒子内部浓度场的变化,同时分析了隔膜孔隙度变化时外载对电池电压及容量的影响。研究发现:引入温度场后电池容量和电压平台会有所升高,模型温度会变低,粒子内部浓度相比电化学-力耦合更加均匀;当加入外载后,会导致电池电压和容量的降低,且同等外载对低放电速率下电池性能的影响更明显。此外还发现了电池在外载作用下会引起隔膜孔隙度变化进而影响电池放电性能。 展开更多
关键词 锂离子电池 电化学--耦合 隔膜变形 多物理场 电压
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应力对锂离子电池中空碳包覆硅负极电化学性能的影响 被引量:5
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作者 孙凤楠 冯露 +3 位作者 卜家贺 张静 李林安 王世斌 《物理学报》 SCIE EI CAS CSCD 北大核心 2019年第12期36-45,共10页
针对锂离子电池硅及其复合电极材料,采用Cahn-Hilliard型扩散方程与有限变形理论全耦合的电化学-力模型来描述其在循环锂化过程中的扩散和力学相关性问题,构造高效的数值算法,在商用有限元软件平台上实现对该理论的数值求解.在此基础上... 针对锂离子电池硅及其复合电极材料,采用Cahn-Hilliard型扩散方程与有限变形理论全耦合的电化学-力模型来描述其在循环锂化过程中的扩散和力学相关性问题,构造高效的数值算法,在商用有限元软件平台上实现对该理论的数值求解.在此基础上,研究了硅电极恒流锂化和脱锂过程,基于界面反应动力学,得到电压响应曲线,计算结果整体趋势与实验结果吻合较好,同时预测的应力响应也与实验结果一致,验证了本方法的有效性.其次,研究了中空碳包覆硅负极锂化过程中的电化学与力学行为,计算结果表明,锂化期间中空碳包覆硅负极应力水平明显低于实心硅负极,随锂化的进行,应力差值越来越大,锂化结束时应力值降低约27%,这种应力的缓解提高了整个电极内化学势水平,使得锂离子浓度水平显著提高,更易达到完全锂化状态.同时,数值研究表明应力水平的缓解延缓了中空碳包覆硅负极的容量衰减(容量提升74%),充分显示出该电极良好的电化学性能.本研究揭示了应力对硅复合电极容量影响的作用机制,为将连续介质电化学-力耦合理论应用于实验预测提供了途径并为电极材料设计提供了理论依据. 展开更多
关键词 电化学-耦合 中空碳包覆硅负极 有限元数值计算 循环稳定性
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304不锈钢在人工海水环境中的腐蚀磨损行为研究 被引量:24
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作者 曾群锋 许雅婷 林乃明 《表面技术》 EI CAS CSCD 北大核心 2020年第1期194-202,212,共10页
目的阐述304不锈钢在人工海水环境中的腐蚀磨损行为及其力-电化学耦合作用下的损伤机理,为海水服役环境中海洋装备的开发和利用提供理论支持。方法利用腐蚀磨损试验仪研究了304不锈钢在人工海水环境中的摩擦学性能和电化学性能及其交互... 目的阐述304不锈钢在人工海水环境中的腐蚀磨损行为及其力-电化学耦合作用下的损伤机理,为海水服役环境中海洋装备的开发和利用提供理论支持。方法利用腐蚀磨损试验仪研究了304不锈钢在人工海水环境中的摩擦学性能和电化学性能及其交互作用下的腐蚀磨损行为,并利用扫描电镜、X射线衍射仪、激光共聚焦显微镜等仪器对磨痕表面进行表征与分析。结果在载荷作用下,304不锈钢的腐蚀电位从静态腐蚀的-0.310 V变为-0.368 V,腐蚀电流密度也增加了约1个数量级。阳极恒电位下,304不锈钢和Al2O3陶瓷球摩擦副的摩擦系数比阴极保护下的小。载荷为5 N时,304不锈钢的腐蚀磨损率为0.195 mm^3/d,其中,腐蚀加速磨损速率占68.7%;载荷为15 N时,总磨损速率明显增加,其中,纯磨损率所占比例最大,为60.1%,此时腐蚀加速磨损速率占比为39.1%。结论304不锈钢的腐蚀磨损行为是“机械去钝化-化学再钝化”的动态过程。腐蚀和磨损过程存在明显的交互作用。在磨损过程中,304不锈钢表面发生马氏体相变,通过电偶腐蚀进一步加强腐蚀作用;同时,腐蚀过程的反应产物使304不锈钢的耐磨性能下降。随着载荷的增加,对总腐蚀磨损速率贡献最大的由腐蚀加速磨损速率逐渐变为纯磨损率,载荷对304不锈钢的机械磨损影响更大。 展开更多
关键词 304不锈钢 腐蚀磨损 力-电化学耦合作用 损伤机理 人工海水环境
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Aging Characteristics of Lithium-Ion Battery Under Fast Charging Based on Electrochemical-thermalmechanical Coupling Model
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作者 Dong-Xu Zuo Pei-Chao Li 《电化学(中英文)》 CAS 2024年第9期10-24,共15页
The aging characteristics of lithium-ion battery(LIB)under fast charging is investigated based on an electrochemical-thermal-mechanical(ETM)coupling model.Firstly,the ETM coupling model is established by COMSOL Multip... The aging characteristics of lithium-ion battery(LIB)under fast charging is investigated based on an electrochemical-thermal-mechanical(ETM)coupling model.Firstly,the ETM coupling model is established by COMSOL Multiphysics.Subsequently,a long cycle test was conducted to explore the aging characteristics of LIB.Specifically,the effects of charging(C)rate and cycle number on battery aging are analyzed in terms of nonuniform distribution of solid electrolyte interface(SEI),SEI formation,thermal stability and stress characteristics.The results indicate that the increases in C rate and cycling led to an increase in the degree of nonuniform distribution of SEI,and thus a consequent increase in the capacity loss due to the SEI formation.Meanwhile,the increases in C rate and cycle number also led to an increase in the heat generation and a decrease in the heat dissipation rate of the battery,respectively,which result in a decrease in the thermal stability of the electrode materials.In addition,the von Mises stress of the positive electrode material is higher than that of the negative electrode material as the cycling proceeds,with the positive electrode material exhibiting tensile deformation and the negative electrode material exhibiting compressive deformation.The available lithium ion concentration of the positive electrode is lower than that of the negative electrode,proving that the tensile-type fracture occurring in the positive material under long cycling dominated the capacity loss process.The aforementioned studies are helpful for researchers to further explore the aging behavior of LIB under fast charging and take corresponding preventive measures. 展开更多
关键词 Lithium-ion battery Aging characteristics Fast charging Electrochemical-thermal-mechanical coupling model
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A new measurement method of crack propagation rate for brittle rock under THMC coupling condition 被引量:7
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作者 Wei YI Qiu-hua RAO +1 位作者 Zhuo LI Qing-qing SHEN 《Transactions of Nonferrous Metals Society of China》 SCIE EI CAS CSCD 2019年第8期1728-1736,共9页
A new electrical method of conductive carbon-film(with waterproof and anticorrosion ability)was proposed to continuously measure crack propagation rate of brittle rock under THMC coupling condition.A self-designed cou... A new electrical method of conductive carbon-film(with waterproof and anticorrosion ability)was proposed to continuously measure crack propagation rate of brittle rock under THMC coupling condition.A self-designed coupling testing system was used to conduct THMC coupling fracture tests of the pre-cracked red sandstone specimens(where the temperature is only changed)by this new electrical method of conductive carbon-film.Calculation results obtained by the energy method coincide well with the test results.And the higher the temperature is,the earlier the crack is initiated and the larger the crack propagation rate and accelerated velocity are,which can prove the validity of the new electrical method.This new electrical method has advantages of continuously measuring crack propagation rate over the conventional electrical,optical and acoustic methods,and can provide important basis for safety assessment and cracking-arrest design of deep rock mass engineering. 展开更多
关键词 crack propagation rate electrical method of conductive carbon-film thermo-hydro-mechanical-chemical coupling energy method brittle rock
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