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    汇报PPT-锂离子电池电极力学失效研究.ppt

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    汇报PPT-锂离子电池电极力学失效研究.ppt

    1,锂离子电池电极力学失效研究,1. 研究背景问题的提出,,2. 目前研究状况,3. 我们的工作设想,2,1. 研究背景,近年来用于手机、数码相机和笔记本电脑中的锂离子电池爆炸伤人事件已经屡见不鲜,锂离子电池的安全问题引起人们广泛的关注。仅2009年5月份就发生了若干起与锂离子电池相关的安全事故,其中包括HTC Touch Pro原装电池燃烧事件,以及惠普笔记本电脑电池召回事件。惠普公司给出的召回原因是那些电池存在过热起火和烫伤消费者的隐患,据说该电池组发生过至少两起事故,主要是因为电池过热、破裂导致起火。目前报道的锂离子电池安全问题集中发生在用于数码产品上的小型锂离子电池,与手机电池相比,笔记本电脑电池由于容量更高,出现问题的几率也相对较高;而用于交通工具上大型的动力电池或电池组,其安全问题更为突出,目前安全问题已成为制约锂离子电池向大型化、高能化方向发展的瓶颈。,3,,手机安全隐患严重,爆炸起火似不定时炸弹,4,,在错误的条件下使用错误的电池会造成故障和爆炸。仔细的设计就会避免电池破裂和爆炸等意外,减少有害的电化学反应和失误带来的风险。 锂离子电池具有很多优于其他可充电电池的特性,包括高能量密度、重量轻、生命周期长、容量保持特性好、环境温度适应范围大和电流忍耐能力强,等等。锂离子电池对环境的适应能力比其他化学电池要强,但是大容量的特点则意味着电池组必须要设计得更加安全。 图1 安全设计可避免很多事故,5,,,6,,,7,,从1991 年日本SONY 公司首次推出商品化锂离子电池产品算起,锂离子电池发展至今已有接近20 年的历史。锂离子电池 lithium ion battery 是指以嵌锂化合物作为正/ 负极材料的电池。嵌锂化合物多为层状或框架结构,充放电过程中锂离子可在其层间可逆的嵌入与脱出而不改变其结构。,8,,锂离子电池是继镍镉电池和金属氢化物镍电池之后的第2代可充电“绿色电池” 。由于这种电池的正极材料的容量比负极材料的要低,所以限制了锂离子电池容量进一步提高。锂钴、锂镍和锂锰氧化物材料是3种主要的锂离子电池正极材料,其中锂锰氧化物材料以其制备成本低、无环境污染、电化学比容量有效利用率高而拥有广泛的开发应用前景,锂锰电池已成为人们广泛关注的焦点。,9,,应用于电动车锂离子电池的电极,10,,法国研制出高能锂离子电池电极,11,,图1 橄榄石型LiFePO4结构示意图,12,2. 目前研究状况,Yuhang Hu, Xuanhe Zhao, and Zhigang Suo, Averting cracks caused by insertion reaction in lithium-ion batteries. J. Mater. Res., Vol. 25, No. 6, Jun 2010,13,,FIG.1 . Insertion-induced deformation may be constrained by the mismatch between active and inactive materials, between grains of different orientations, and between phases of different concentrations of lithium. The constrained deformation leads to stresses, which may cause the electrode to crack.,14,,FIG. 2. In a crystal of LiFePO4, lithium atoms diffuse along tunnels in direction b, and cleavage may occur on the bc and ac planes.,15,,,,,,,,,,,16,,FIG. 3. Energy release rate for a crack on the phase boundary in a platelike LiFePO4 particle.,17,,FIG. 4. In an equiaxed LiFePO4 particle, energy release rate of a a crack in a phase and b a crack on the phase boundary.,18,,Kejie Zhao, Matt Pharr, Joost J. Vlassak, and Zhigang Suo, Fracture of electrodes in lithium-ion batteries caused by fast charging, JOURNAL OF APPLIED PHYSICS 108, 073517 2010. Using a combination of diffusion kinetics and fracture mechanics, we have outlined a theory to study how material properties, particle size, and discharge rate affect fracture of electrodes in lithium-ion batteries.,19,,Kejie Zhao, Matt Pharr, Shengqiang Cai, Joost J. Vlassak, and Zhigang Suo, Large Plastic Deformation in High-Capacity Lithium-Ion Batteries Caused by Charge and Discharge, J. Am. Ceram. Soc., 94 [S1] S226–S235 2011. Evidence has accumulated recently that a high-capacity electrode of a lithium-ion battery may not recover its initial shape after a cycle of charge and discharge. Such a plastic behavior is studied here by formulating a theory that couples large amounts of lithiation and deformation. The homogeneous lithiation and deformation in a small element of an electrode under stresses is analyzed within nonequilibrium thermodynamics, permitting a discussion of equilibrium with respect to some processes, but not others.,20,,Kejie Zhao, Matt Pharr, Lauren Hartle, Joost J. Vlassak, Zhigang Suo, Fracture and debonding in lithium-ion batteries with electrodes of hollow coreeshell nanostructures, Journal of Power Sources ,218 2012 ,6-14。 In a novel design of lithium-ion batteries, hollow electrode particles coated with stiff shells are used to mitigate mechanical and chemical degradation. In particular, silicon anodes of such coreeshell nanostructures have been cycled thousands of times with little capacity fading. To reduce weight and to facilitate lithium diffusion, the shell should be thin. However, to avert fracture and debonding from the core, the shell must be sufficiently thick.,21,,Fig. 1. a. For a silicon particle without a stiff shell b. Also for a silicon particle without a stiff shell, the deformation associated with lithiation and delithiation may cause the shedding and re-forming of the solid-electrolyte interphase SEI, consuming active materials. c. For a hollow silicon particle with a stiff shell, the deformation of silicon is accommodated by inward swelling, so that electric contact is maintained, and the shedding of SEI avoided.,22,,Fig. 2. Two potential modes of failure in a hollow silicon particle coated with a stiff shell. a. The lithiation of the silicon particle induces tensile hoop stress in the shell, which may cause the shell to fracture. b The delithiation of the silicon particle induces radial tensile stress, which may cause debonding between the core and the shell.,23,,Fig. 3. a. In the reference state, a hollow particle of an electrode is stress-free and lithium-free. b In the current state, the particle is partially lithiated. The deformation of the core is accommodated by the inner hollow space. Outward deformation is restricted by the shell.,24,,,2,3,4,7,5,9,6,8,,,25,,Fig. 4. Evolution of the radial stress at the interface between the particle and the shell during lithiation and delithiation.,26,,Analysis of coated hollow silicon nanowires,,,,,,27,,Fig. 6. Conditions of fracture and debonding for a hollow nanowire plotted in the plane of a the thickness of the shell and the state of charge, and b the radius of the particle and the state of charge.,28,3. 我们的工作设想,热、裂纹、弹塑性范围,断裂力学。,29,,,谢谢大家,

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