一种通过量纲分析建立锂离子电池高容量电极材料在充放电过程中失效机制图的方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种通过量纲分析建立锂离子电池高容量电极材料在充放电过程中 失效机制图的方法;属于锂离子电池电极材料领域。
【背景技术】
[0002] 材料失效机制图的建立，对材料的设计加工和优化改性具有重要指导作用。随着 计算机技术的迅猛发展，将有限元数值模拟、计算机仿真与加工实验有效结合起来研究锂 离子电池高容量电极材料充放电过程中的失效行为成为当前研究的热点。
[0003]锂离子电池具有高电压平台、高能量密度、低自放电率、循环寿命长、无记忆效应、 无污染等诸多优点，是目前最具发展前景的二次电池，已广泛应用于手机、笔记本电脑、小 型摄像机等便携式电子设备，在电动汽车、航空航天等领域也展现出良好的应用前景。目前 已商业化的锂离子电池正极材料以LiCo〇2、LiMn2〇4、LiFeP〇4和三元材料为主，负极材料以 碳材料为主。这些材料最大的不足就是其理论容量较低，这严重制约了锂离子电池在电动 汽车等高比容量需求领域的发展，因此高容量电极材料的应用成为目前研究的主要趋势。 Sn、Ge、Si等合金材料以及一些过渡金属氧化物都具有非常高的理论比容量，例如Si在满锂 状态(Li22Si 5)时理论比容量高达4200mA h g<，比常用的碳负极材料的理论比容量(372mA h g<)大10倍。制约这些高容量电极材料在锂离子电池中应用的一个重要因素是其在充放 电过程中会发生巨大的体积变形，如Si的体积变形率高达400%。充放电过程中，伴随着锂 离子在正负极材料中的嵌入和脱出，这是造成其体积变形的主要原因。大的体积变形会产 生大的应力，造成诸多不良影响，如:①直接导致活性材料的断裂甚至粉化;②破坏活性材 料与基体间的导电路径，失去电接触;③破坏活性材料与电解液反应生成的固体电解质膜 (SEI)，SEI的反复破坏重生成不断消耗活性材料，造成不可逆的容量损失，导致了其电化学 循环性能的衰退。为了避免高容量电极材料在充放电过程中的破坏，指导设计优化电极结 构，与其结构尺寸和材料属性相关的失效机制图的建立至关重要。但是，电极材料多为纳米 尺度，其锂化变形反应极其复杂，仅仅依赖单一的实验难以对其失效行为进行系统的、全面 的表述，必须另辟蹊径，探究解决这一问题的根本方法。
【发明内容】
[0004] 针对现有技术存在的问题，本发明的目的是在于提供一种简单、高效，通过量纲分 析准确建立锂离子电池高容量电极材料在充放电过程中失效机制图的方法，以解决现有技 术中通过复杂的实验来探究锂离子电池高容量电极材料在充放电过程中的失效的问题。
[0005] 为了实现上述目的，本发明提供了一种通过量纲分析建立锂离子电池高容量电极 材料在充放电过程中失效机制图的方法，该方法包括以下步骤：
[0006] (1)根据Π 定理，建立锂离子电池高容量电极材料充放电过程中，失效时破坏能与 电极材料充放电过程中各主要参数之间的无量纲关系：
[0007] Γ = Γ (h，E，〇Y，v，S0C)
[0008] 其中，
[0009] Γ表示失效时破坏能，
[0010] h表示锂化前电极结构的尺寸相关参数，
[0011] Ε，σγ和v分别表示活性材料的杨氏模量、屈服强度和泊松比，
[0012] S0C表示失效时临界电荷状态；
[0013] 在与Γ有关的各主要参数中，选取具有独立量纲的参数Ε和h，以指数积形式来表 示其它参数，得到无量纲函数关系：
[0014]
[0015] (2)选取一系列参数h和σγ/E，基于连续介质损伤力学和弹-塑性扩散锂化的有限
元数值模拟，得到r与h和σγ/Ε的离散数值点，选取合适拟合函数，建立Γ与h和σγ/Ε之间的 无量纲函撕主玄.
[0016]
[0017] (3)通过函数关系表达式，建立针对包括纳米薄膜、纳米线、纳米球在内的特定电 极结构的充放电过程中各主要参数的失效机制图。
[0018] 优选的方案，在不考虑参数之间耦合的前提下，充放电过程中对锂离子电池高容 量电极材料失效影响的参数包括几何参数和材料参数。
[0019]较优选的方案，几何参数包括h;所述的材料参数包括Γ、Ε、σγ和V
[0020] 本发明的通过量纲分析建立锂离子电池高容量电极材料在充放电过程中失效机 制图的方法包括以下具体步骤：（1)利用量纲分析的Π 定理，建立锂离子电池高容量电极材 料充放电过程中，失效时破坏能与充放电过程中各主要参数之间的无量纲关系，
[0021] Γ = Γ (h，E，〇Y，v，S0C)
[0022] 其中，Γ表示破坏能，h是锂化前电极结构的尺寸相关参数，E，〇Y和v分别表示活性 材料的杨氏模量、屈服强度和泊松比，S0C(state of charge)表示失效时的临界电荷状态；
[0023] 通过量纲分析，在不考虑参数之间耦合的情况下，在充放电过程中对电极材料失 效影响的主要参数包括几何参数和材料参数，其中几何参数包括锂化前电极结构的尺寸相 关参数h等;材料参数包括活性材料的破坏能Γ、杨氏模量E、屈服强度 〇Y和泊松比v等，上述 与破坏能Γ有关的各种主要参数中，只有应力的量纲[Ε]和长度的量纲[h]是独立的，其他 的参数均可以用这两个量纲独立的参数的指数积形式表示，选取活性材料的杨氏模量E和 锂化前电极结构的尺寸相关参数h，得到无量纲的函数关系为：
[0024]
[0025] (2)确定无量纲函数Π :的具体的表达式，选取一系列几何参数和材料参数(h，σγ/ Ε)，基于连续介质损伤力学和弹-塑性扩散锂化的有限元数值模拟，得到破坏能与无量纲的 几何参数和材料参数的离散数值点，选取合适的拟合函数，从而建立破坏能与几何参数和 材料参数无量纲函数的具体表达式如下：
[0026]
[0027] (3)通过具体的函数表达式，建立针对纳米薄膜，纳米线，纳米球等特定电极结构 的充放电过程中几何参数和材料参数的失效机制图。
[0028] 相对现有技术，本发明的技术方案带来的有益效果：本发明的技术方案简单，新 颖、高效，能较准确地获得锂离子电池高容量电极材料在充放电