柳小伟 宋辉3)† 郭美卿‡ 王根伟3) 迟青卓

1) (太原理工大学机械与运载工程学院, 太原 030024)

2) (太原理工大学, 材料强度与结构冲击山西省重点实验室, 太原 030024)

3) (太原理工大学机械与运载工程学院, 应用力学研究所, 太原 030024)

4) (大连理工大学能源与动力学院, 大连 116024)

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.

1 引 言

锂离子电池是一种可反复充放电的二次电池,因具有工作温度范围宽、电压高、荷电保持能力强、比能量高、循环寿命长和无污染等诸多优点,不但……