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.

三元软包锂离子电池放电过程扩散诱导应力与热应力对比研究

为了明晰锂离子电池在放电过程中产生的扩散诱导应力和热应力对电池的影响,使用Comsol Multiphysics 6.0建立了18.5 Ah软包NCM111锂离子电池的电化学-力-热耦合模型,基于该模型对不同放电倍率下电池的负极颗粒中心表面锂浓度差、扩散诱导应力、热应力及膨胀行为进行了仿真分析。扩散诱导应力可通过一维电化学模型及其衍生的颗粒维度进行仿真分析,而热应力则需要通过三维固体力学和传热模型进行仿真。研究结果表明,随着放电倍率的增加,电池产生的扩散诱导应力和热应力都会增大,因此,低放电倍率有助于降低电池产生的应力。负极颗粒产生的扩散诱导应力与颗粒中心表面锂浓度差相关,颗粒中心与表面的锂浓度差随着放电过程的进行逐渐增大。将一维模型中的负极视为由无数负极颗粒组成的线段,放电前期,靠近隔膜端的颗粒中心与表面锂浓度差高于集流体端,放电后期则相反,这个变化发生的转折点在放电深度为60%~70%之间。这也意味着放电前期隔膜端的负极颗粒产生的扩散诱导应力大于集流体端的负极颗粒,也更容易破裂,而放电后期则相反。负极颗粒产生的扩散诱导应力大小为兆帕级,远高于电芯产生的大小为千帕级的热应力。同时,电芯产生的热应力和最大位移与电池温差呈线性关系,随着放电倍率的增加而增大。值得注意的是,与圆柱形电池不同,软包电池的极耳与电芯连接处会产生较大的热应力。本研究对比分析了软包NCM111锂离子电池放电过程产生的扩散诱导应力与热应力,为电极和电芯的制造及应力监测提供理论支撑。

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.

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.

新型三维三明治状框架结构复合电极材料的扩散诱导应力分析

制备出更优异的电极材料是提高锂离子电池性能和电化学储能效率的一种关键策略。针对具有三维框架微结构的三明治状复合电极材料,将"自然"特征函数展开方法用于多层活性材料离子扩散问题的解析求解,使求解过程更简捷,也更符合物理实际。在此基础上,根据框架结构刚度的不同,建立力学概念模型,利用叠梁理论在细观尺度研究了电化学扩散过程中应力的演化规律及应力缓冲的机理。最后,研究了厚度比、模量比对应力的缓冲效应。结果表明:柔性结构更有利于电极内部应力松弛,进而保证电极的力学稳定性和结构完整性;应在保证外部活性层应力尽可能小的情况下,适当增加夹心层的厚度;在保证其他材料属性符合要求的前提下,要尽可能选择模量比较小的两种活性材料。

外载对球形颗粒电极锂化过程的扩散影响

锂离子电池在使用过程中不可避免地受到外部机械载荷的作用,而这种载荷会对电池产生重要影响。基于小变形和线弹性等理论建立了在外部机械载荷作用下的球形颗粒电极锂化过程的力化耦合模型。计算结果表明,随着扩散持续,外部应力梯度对扩散过程的影响逐渐增大,稳态时球心处锂离子浓度低于球表面处浓度。正应力梯度对离子的扩散具有抑制作用。而对于复杂形式的外载,稳态时锂离子浓度沿径向呈现非线性不均匀分布状态。

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.

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。

锂离子电池快速充电的应力调控

难以同时实现高充电速度和长循环寿命,已成为当前锂离子电池快速充电技术的主要问题。从快速充电时电池劣化的内在机制入手,以正极活性颗粒扩散诱导应力为抓手,提出了锂离子电池快速充电的应力调控方法:在充电开始后短时间内使活性颗粒的扩散诱导应力迅速达到强度,并在随后充电过程中使扩散诱导应力保持在强度值。进一步地,为解决应力调控充电方案初始无限大电流的问题,提出了包含初始恒流阶段和应力调控阶段的恒流-应力调控充电方案。通过与传统恒流充电、升压充电和指数电流充电方法对比,提出的快速充电应力调控方法能有效实现充电速度、峰值应力和可用容量的最优化平衡。

氢扩散与裂纹尖端应力场耦合效应的有限元分析

目的研究氢鼓包形成过程中应力诱导下氢原子的扩散聚集行为,并考虑氢原子扩散聚集后对裂纹尖端区域应力场的影响,探究裂纹尖端区域氢浓度、氢气压强、应力强度因子随时间的演化历程。方法采用有限元软件ABAQUS,通过一个完全耦合分析,探究氢扩散与裂纹尖端区域应力场相互影响的动态过程。借助于断裂力学中的裂纹扩展判据判定氢鼓包是否会继续向前扩展。结果在应力诱导作用下,氢原子源源不断地向裂纹尖端高应力区域聚集,裂纹尖端区域的氢浓度、氢压、应力强度因子随时间呈指数型增长。结论在浓度梯度作用下,氢原子会向材料内部扩散。氢压引起的应力场会促进氢原子的扩散聚集行为,且应力场越大,促进作用越明显,使得缺陷处的氢浓度不断增大,氢压也就越来越大。当应力强度因子达到裂纹起裂的临界值时,就会导致开裂,形成氢鼓包,如此循环往复,直至氢鼓包开裂。

单轴应变对H在α-Fe中占位及扩散的影响

采用基于密度泛函理论的第一性原理方法,研究了H在不同单轴应变下α-Fe中的间隙占位,计算了H原子的溶解能、态密度、电荷差分密度和电荷布居.结果表明:不同单轴拉压应变作用下,H原子优先占据四面体间隙(Ts)位,且随着压应变减小、拉应变增加,H原子越易溶于α-Fe.压应变使得Ts位的H获得更多的电子,而拉应变减少了这种电荷转移.应用LST/QST过渡态搜索计算垂直应变方向的扩散.八面体间隙位是邻近Ts位H的扩散过渡态.扩散激活能与应变呈线性关系,且随着压应变的增加,扩散激活能降低,扩散更容易.

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.

柱状电极屈曲或裂纹扩展的临界力学参数研究

柱形结构电极是近年来使用最为广泛的锂电池电极结构之一.本文以硅材料细长柱形电极为例,研究了充电电流大小、电极长径比、初始裂纹长度以及断裂韧性对于电极的屈曲现象和裂纹扩展现象发生时间的影响.计算结果表明,屈曲与裂纹扩展现象出现的先后顺序与充电电流大小无关;具有小的长径比,大的初始裂纹长度以及较小断裂韧性的电极,裂纹扩展比屈曲现象更早发生.对于硅材料,不同长径比的电极具有不同临界断裂韧性值,当材料的断裂韧性小于该临界值,在锂化过程中裂纹扩展会先于屈曲现象发生;该临界断裂韧性值随初始裂纹长度的增加而增加.本文的结论对于电极的结构设计以及材料选取具有一定指导意义.

锂离子电池充放电过程电极裂纹扩展分析

采用基于有限变形理论和扩散诱导应力假设的本构方程,建立了三维直角坐标下张量形式的锂离子扩散—应力耦合模型。利用有限元法,结合断裂理论中的K准则,判定裂纹的开裂。将该模型应用到柱形电极和球形电极上,在其中添加三维裂纹,研究应力强度因子与裂纹尺寸的关系;并结合材料的断裂韧性,得到了裂纹开裂的临界尺寸amin。研究发现:电极中长度超过临界尺寸的裂纹将扩展,柱形电极中沿轴向发展的裂纹将持续扩展直至贯穿,沿径向发展的裂纹将逐渐稳定不会贯穿;球形电极中的裂纹也将逐渐稳定,贯穿与否取决于电极尺寸。且该三维模型不仅仅限于轴对称情况,还适用于包含任意缺陷形式的颗粒电极,具有普遍意义。研究成果可对颗粒电极内部缺陷筛查提出优化建议。

Ti55合金电子束焊缝氢致延迟裂纹的扩展机理

钛合金广泛应用于军事航空领域 ,但是一些钛合金在焊接条件下 ,焊缝会产生氢致延迟裂纹 ,其致裂机理尚不十分清楚。通过充氢CT(Compacttension)试件的恒载拉伸试验 ,研究了氢浓度对Ti5 5合金电子束焊缝裂纹尖端应力强度因子门槛值Kth及裂纹扩展速率da/dt的影响规律 ,分析了氢致延迟裂纹扩展的机理。结果表明 ,氢在Ti5 5合金焊缝中的固溶度约为 79× 10 -4%。当充氢浓度C0 低于 79× 10 -4%时 ,随着焊缝氢浓度C0 的增大 ,裂纹开始扩展的应力强度因子门槛值Kth迅速减小 ,而裂纹扩展速率da/dt随着C0 的增大而增大 ;C0 为 79× 10 -4%时 ,Kth为最小值并呈恒值特征。裂纹尖端应力场诱导氢原子扩散导致氢化物TiH2 析出是Ti5

具有表面效应的球形纳米电极颗粒中的反应-扩散-力学全耦合分析

表面效应在纳米电极颗粒中占有主导地位,论文首先建立了锂离子电池充放电过程中考虑表面效应的反应-扩散-力学全耦合模型;然后对比了有无表面效应对锂离子浓度、径向应力和环向应力的影响;最后探讨了反应系数和尺寸效应对浓度和扩散诱导应力的影响.数值结果表明表面效应随着充电时间的增加逐渐减小直至充电结束趋于稳定;表面压效应对本模型的浓度无影响但抑制了扩散诱导应力的增加;较慢的化学反应和较小的纳米电极颗粒尺寸可抑制电极应力的增加.

深海金属氢致应力腐蚀断裂韧性计算方法研究

针对钛合金在深海环境下的氢致应力腐蚀开裂问题，通过应力诱导扩散方法计算氢在金属中的扩散，将氢降低金属表面能机理引入到氢致开裂过程，利用ABAQUS有限元软件结合Python二次开发实现对裂纹尖端材料脆化与裂纹扩展循环作用过程的模拟。经过既有文献试验标定，计算误差为11%，证明在每个裂纹开展循环起始时在裂纹尖端更新临界断裂表面能的方法有效，具有可行性。结果表明，氢会在裂纹尖端应力水平较高区域富集，而环境压力会加剧这一过程，某牌号钛合金在5 000 m和10 000 m海深的HISCC断裂韧性分别降低至室内条件下的31.16%和22.28%。