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锂化和脱锂过程中高容量电极材料的塑性耗散。 (英语) Zbl 1494.74007号

小结:大容量阳极在循环过程中的塑性变形伴随着能量耗散。在某些情况下,塑性耗散可占电极系统总能量耗散的相当大比例。在此,发展了一个包含塑性相关内部变量的热力学一致性多物理理论框架,以了解热传导、物种扩散和弹塑性机制相互作用,并评估塑性耗散。考虑在刚性衬底上具有薄膜配置和自由球形配置的Si、Ge和Sn阳极。介绍了相应的塑性模型和拟合参数。锂离子插入相关的能量流主要转化为可逆化学能,部分能量被消耗用于驱动锂离子扩散和塑性流动。对于薄膜电极单元,能量耗散主要取决于材料特性,锂扩散阻力和塑性流动阻力越大,能量耗损越大。粗略估计表明,硅、锗和锡薄膜电极的塑性耗散分别约占总输入能量的20%、10%和5%。球形电极的能量耗散要小得多,并且很大程度上取决于操作速度和大小。结构设计和减小电极单元的特征尺寸可以减少能量损失,避免能量浪费。这些工作为高容量电极材料的塑性耗散提供了有价值的见解,并为塑性电极材料的多物理建模提供了理论框架。

MSC公司:

74C05型 小应变率相关塑性理论(包括刚塑性和弹塑性材料)
74E40型 固体力学中的化学结构
74F05型 固体力学中的热效应
74千克35 薄膜
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全文: 内政部

参考文献:

[1] 埃布纳,M。;马龙,F。;斯坦帕诺尼,M。;Wood,V.,《锂离子电池电化学和机械降解的可视化和量化》,《科学》,342716-720(2013)·doi:10.1126/science.1241882
[2] 黄,JY;钟,L。;王,CM;沙利文,JP;徐伟(Xu,W.)。;张,LQ;毛,SX;哈达克,NS;刘,XH;Subramanian,A。;风扇,HY;齐,洛杉矶;Kushima,A。;Li,J.,单个SnO_2纳米线电极电化学锂化的原位观察,科学,3301515-1520(2010)·doi:10.1212/science.1195628
[3] Lyu,DD;Ren,B。;Li,SF,可充电锂基电池的故障模式和机制:最新综述,机械学报。,230, 701-727 (2019) ·doi:10.1007/s00707-018-2327-8
[4] 张,SL;赵,KJ;Zhu,T。;Li,J.,高容量电池电极材料的电化学机械降解,Prog。马特。科学。,89, 479-521 (2017) ·doi:10.1016/j.pmatsci.2017.04.014
[5] Zhao,Y。;斯坦因,P。;Bai,Y。;Al-Siraj,M。;杨,YYW;Xu,BX,《锂离子电池中电化学机械建模综述》,J.Power Sources,413,259-283(2019)·doi:10.1016/j.jpowsour.2018.12.011
[6] 王,X。;李,S。;Tong,Q.,《岩化过程中空心核壳电极的尺寸和厚度依赖性断裂模式》,《极限力学》。莱特。,52 (2022) ·doi:10.1016/j.eml.2022.101647
[7] Al-Obeidi,A。;Kramer,D。;汤普森,简历;Monig,R.,锗薄膜电极在锂化和去锂化过程中的机械应力和形态演变,J.Power Sources,297472-480(2015)·doi:10.1016/j.jpowsour.2015.06.155
[8] 巴莱,P。;黄,B。;SJ狄龙;Mukherjee,PP,机械电化学相互作用导致锡电极中的应变松弛,J.Electrochem。Soc.,163,A3022-A3035(2016)·doi:10.1149/2.0801614jes
[9] 乔恩,MJ;弗吉尼亚州塞图拉曼;McCormick,A。;斯里尼瓦桑,V。;Guduru,PR,晶体硅初始锂化期间应力和损伤演化的实时测量,Phys。修订稿。,107(2011年)·doi:10.1103/PhysRevLett.107.045503
[10] 赵,KJ;法尔,M。;蔡,SQ;JJ弗拉萨克;Suo,ZG,高容量锂离子电池充电和放电引起的大塑性变形,J.Am.Ceram。Soc.,94,S226-S235(2011)·文件编号:10.1111/j.1551-2916.2011.04432.x
[11] 赵,KJ;法尔,M。;JJ弗拉萨克;Suo,ZG,作为高容量锂离子电池电极的非弹性主体,J.Appl。物理。,109 (2011) ·数字对象标识代码:10.1063/1.3525990
[12] 高,YF;Zhou,M.,高容量锂离子电池电极中锂扩散对机械约束的强烈依赖性,机械学报。Sinica,281068-1077(2012)·Zbl 1293.74098号 ·doi:10.1007/s10409-012-0141-4
[13] Brassart,L。;赵,KJ;Suo,ZG,锂离子电池高容量电极的循环塑性和安定性,国际固体结构杂志。,50, 1120-1129 (2013) ·doi:10.1016/j.ijsolstr.2012.12.019
[14] 杨,B。;伊尔莎,J。;He,YP;加利福尼亚州伦德格伦;Zhao,YP,《锂化条件下SnO_2纳米线各向异性膨胀的化学成形分析》,J.Eng.Mater。T.ASME(2012)·doi:10.1115/1.4006502
[15] Pal,S。;Damle,不锈钢;昆塔,PN;Maiti,S.,锂离子电池中非晶硅薄膜阳极的锂偏析诱导分层建模,Comp。马特。科学。,79, 877-887 (2013) ·doi:10.1016/j.commatsci.2013.06.051
[16] Chen,L。;风扇,F。;洪,L。;陈,J。;季,YZ;张,SL;Zhu,T。;Chen,LQ,《与大弹塑性变形耦合的相场模型:应用于锂化硅电极》,J.Electrochem。Soc.,161,F3164-F3172(2014)·doi:10.1149/2.0171411jes
[17] 鲍尔,AF;公共关系部Guduru;弗吉尼亚州Sethuraman,《锂离子半电池中应力、扩散、塑性流动和电化学反应的有限应变模型》,J.Mech。物理学。固体,59804-828(2011)·兹比尔1270.74081 ·doi:10.1016/j.jmps.2011.01.003
[18] 崔,ZW;高,F。;Qu,JM,《有限变形应力相关化学势及其在锂离子电池中的应用》,J.Mech。物理学。固体,601280-1295(2012)·doi:10.1016/j.jmps.2012.03.008
[19] 布奇,G。;Nadimpalli,特殊目的公司;弗吉尼亚州塞图拉曼;鲍尔,AF;Guduru,PR,非晶硅薄膜电极在循环锂化过程中的机械和电化学响应的测量和建模,J.Mech。物理学。固体,62,276-294(2014)·doi:10.1016/j.jmps.2013.10.005
[20] 卢,YJ;切,Q。;宋,X。;Wang,FH;Zhao,X.,双层锂离子电池电极中扩散诱导蠕变引起的应力自松弛,Scripta Mater。,150, 164-167 (2018) ·doi:10.1016/j.scriptamat.2018.03.023
[21] Brassart,L。;Suo,ZG,锂离子电池大变形电极中的反应流,国际应用杂志。机械。(2012) ·doi:10.1142/S1758825112500238
[22] Brassart,L。;Suo,ZG,固体中的反应流,J.Mech。物理学。固体,61,61-77(2013)·doi:10.1016/j.jmps.2012.09.007
[23] Drozdov,AD,通过插入锂驱动的锂离子电池中电极颗粒的粘塑性响应,Int.J.Solids Struct。,51, 690-705 (2014) ·doi:10.1016/j.ijsolstr.2013.10.033
[24] Khosrownejad,SM;华盛顿州科廷,《非晶电池材料中充电/放电率相关塑料流模型》,J.Mech。物理学。固体,94167-180(2016)·doi:10.1016/j.jmps.2016.03.004
[25] 李,Y。;张杰。;张凯。;郑,BL;Yang,FQ,锂离子电池大变形薄膜电极的基于缺陷的粘塑性模型,国际塑料杂志。,115, 293-306 (2019) ·doi:10.1016/j.jplas.2018.12.001
[26] 马,ZS;Wu,H。;Wang,Y。;潘,Y。;Lu,CS,锂离子电池中金属电极的电化学辐照塑性模型,国际塑料杂志。,88, 188-203 (2017) ·doi:10.1016/j.ijplas.2016.10.009
[27] 李,Y。;毛,WY;张,Q。;张凯。;Yang,FQ,锂离子电池非晶硅电极的基于自由体积的粘塑性模型,J.Electrochem。Soc.,167,9(2020年)·doi:10.1149/1945-7111/ab75c0
[28] Bagheri,A。;Arghavani,J。;Naghdabadi,R。;Brassart,L.,《锂离子电池非晶阳极材料中锂插入和粘塑性流动耦合理论》,机械。材料。,152, 15 (2021) ·doi:10.1016/j.技术手册.2020.103663
[29] 桑,理学硕士;陈,YX;江,WJ;Wang,Y。;邹,YL;Ma,ZS,高容量锂离子电池电极的应变梯度塑性损伤与断裂,科学。中国技术。科学。(2021) ·doi:10.1007/s11431-020-1751-1
[30] Wang,Y。;Wu,H。;孙,LZ;江,WJ;卢,CS;Ma,ZS,《锂离子电池电极电化学-力学耦合模型与应变梯度塑性》,《欧洲力学杂志》。A-Solids,87,8(2021)·Zbl 1472.74054号 ·doi:10.1016/j.euromechsol.2021.104230
[31] Cailletaud,G。;Sai,K.,《具有各种非弹性机制的塑性粘塑性模型研究》,国际塑料杂志。,11, 991-1005 (1995) ·Zbl 0859.73029号 ·doi:10.1016/s0749-6419(95)00040-2
[32] Zhao,K。;Wang,WL;Gregoire,J。;法尔,M。;苏,Z。;JJ弗拉萨克;Kaxiras,E.,《锂离子电池中硅电极的锂辅助塑性变形:第一原理理论研究》,Nano Lett。,11, 2962-2967 (2011) ·doi:10.1021/nl201501s
[33] 巴卡,M。;McMeeking,RM,严重塑性变形导致微观结构演变的潜热饱和,国际塑料杂志。,83, 74-89 (2016) ·doi:10.1016/j.ijplas.2016.04.004
[34] 弗吉尼亚州塞图拉曼;乔恩,MJ;M.Shimshak。;斯里尼瓦桑,V。;Guduru,PR,《电化学锂化和去锂化期间硅薄膜应力演变的原位测量》,《电源杂志》,195,5062-5066(2010)·doi:10.1016/j.jpowersur.2010.02.013
[35] Rakshit,S。;Pakhare,AS;O·鲁伊斯。;Khoshi,MR;Detsi,E。;He,HX;弗吉尼亚州塞图拉曼;Nadimpalli,SPV,《Na/Na+氧化还原反应导致Ge电极体积变化和相关应力的测量》,《电化学杂志》。社会地位,168,11(2021)·doi:10.1149/1945-7111/abd5fc
[36] Di Leo,简历;Rejovitzky,E。;Anand,L.,非晶硅阳极的扩散变形理论:塑性变形对电化学性能的作用,Int.J.Solids Struct。,67-68, 283-296 (2015) ·doi:10.1016/j.ijsolstr.2015.04.028
[37] Krairi,A。;Doghri,I。;夏纳特,J。;罗伯特·G。;Van Paepegem,W.,《热塑性聚合物粘弹-粘塑性模型的热力学耦合:热力学推导和实验评估》,国际塑料杂志。,115, 154-177 (2019) ·doi:10.1016/j.ijplas.2018年11月16日
[38] Khan,AS公司;O.洛佩兹·帕米斯。;Kazmi,R.,粘弹性聚合物在大范围应变率和温度下的热机械大变形响应和本构建模,国际塑料杂志。,22, 581-601 (2006) ·Zbl 1190.74006号 ·doi:10.1016/j.ijplas.2005.08.001
[39] Afshar,A。;Di Leo,CV,固体中扩散反应变形的热力学一致梯度理论:转化型电极的应用,J.Mech。物理学。固体,151,37(2021)·doi:10.1016/j.jmps.2021.104368
[40] 辛格,A。;Pal,S.,锂离子电池多晶阴极断裂的化学-机械耦合模型,国际塑料杂志。,127, 41 (2020) ·doi:10.1016/j.ijplas.2019.11.015
[41] Loeffel,K。;Anand,L.,化学反应引起的弹粘塑性变形、扩散和体积膨胀的化学-热-机械耦合理论,Int.J.Plast。,27, 1409-1431 (2011) ·Zbl 1426.74137号 ·doi:10.1016/j.ijplas.2011.04.001
[42] Di Leo,简历;Anand,L.,《金属中的氢:物种扩散和大弹塑性变形的耦合理论》,国际塑料杂志。,43, 42-69 (2013) ·doi:10.1016/j.ijplas.2012.11.005
[43] Sait,F。;古尔斯,E。;Aslan,O.,热障涂层中耦合相变和应力演变的建模与模拟,国际塑料杂志。,134 (2020) ·doi:10.1016/j.ijplas.202.012790
[44] 马斯穆迪,M。;穆尼,Z。;Bidault,F.,《锂离子电池颗粒在充电-放电循环期间的热-机械-化学耦合响应分析》,J.Electrochem。Soc.,166,A5445-A5461(2019)·doi:10.1149/2.0631903jes
[45] 张,XC;Shyy,W。;Sastry,AM,《锂离子电池电极颗粒嵌入诱导应力的数值模拟》,《电化学杂志》。Soc.,154,A910-A916(2007)·doi:10.1149/1.2759840
[46] 张,XX;Chumakov,S。;李,XB;克林斯曼,M。;Kim,SU;Linder,C。;Christensen,J.,《锂离子电池的电化学-热-机械耦合三维计算框架》,J.Electrochem。Soc.,167,13(2020年)·doi:10.1149/1945-7111/abd1f2
[47] Nateghi,A。;Keip,MA,《锂离子电池阴极颗粒的热-化学-机械耦合模型》,机械学报。(2021) ·Zbl 1486.74029号 ·doi:10.1007/s00707-021-02970-1
[48] 沃纳,M。;潘多尔菲,A。;Weinberg,K.,《锂离子电池电极充放电的多场模型》,连续体力学。热量。(2020) ·doi:10.1007/s00161-020-00943-8
[49] YN赵;陈,YF;Ai,新加坡;Fang,DN,A扩散、氧化反应和大粘弹性变形耦合模型及其在碳化硅纤维氧化中的应用,国际塑料杂志。,118, 173-189 (2019) ·doi:10.1016/j.ijplas.2019.02.003
[50] 科尔曼,BD;Gurtin,ME,《含内部状态变量的热力学》,J.Chem。物理。,47597年-和(1967年)·doi:10.1063/1.1711937年
[51] 霍斯特梅厄,MF;DJ Bammann,《无弹性内状态变量理论的历史回顾》,国际塑料杂志。,26, 1310-1334 (2010) ·Zbl 1431.74031号 ·doi:10.1016/j.ijplas.2010.06.005
[52] Levitas,VI,《非弹性材料的相变、断裂和其他结构变化》,国际塑料杂志。,140 (2021) ·doi:10.1016/j.ijplas.202.012914
[53] Cho,何;Hammi,Y。;阿拉巴马州鲍曼;卡拉托,S-I;JR鲍姆加德纳;Horstemeyer,MF,《金属和矿物骨料晶粒尺寸演变耦合的统一静态和动态再结晶内部状态变量(ISV)本构模型》,国际塑料杂志。,112, 123-157 (2019) ·doi:10.1016/j.ijplas.2018.08.009
[54] Lemaitre,J。;Chaboche,J-L,《固体材料力学》(1994),剑桥:剑桥大学出版社,剑桥·Zbl 0743.7302号
[55] Wang,L。;Ling,C。;菅直人,C-D;Yang,C.,《锂离子电池的热电-机械耦合分析》,J.Micromech。分子物理学。(2022年)·doi:10.1142/s242491302142108
[56] 李,HG;刘,BH;周,D。;Zhang,C.,机械滥用下锂离子电池短路机制的机械-电化学-热耦合研究,J.Electrochem。Soc.,167,13(2020年)·doi:10.1149/1945-7111/aba96f
[57] 刘,BH;贾,YK;袁,CH;王,LB;高,X。;尹,S。;Xu,J.,机械滥用负载下锂离子电池的安全问题和机制:综述,储能材料。,24, 85-112 (2020) ·doi:10.1016/j.ensm.2019.06.036
[58] Bazant,MZ,基于非平衡热力学的化学动力学和电荷转移理论,《账户化学》。研究,46,1144-1160(2013)·doi:10.1021/ar300145c
[59] 北卡罗来纳州Qaiser。;Kim,YJ;康,CS;Han,SM,作为锂离子电池阳极的耐断裂锡微柱的数值模拟,J.Phys。化学。C、 1206953-6962(2016)·doi:10.1021/acs.jpcc.6b00002
[60] 法尔,M。;苏,ZG;Vlassak,JJ,由于锂离子电池硅电极的应变率敏感性,应力随充电率的变化,J.Power Sources,270569-575(2014)·doi:10.1016/j.jpowsour.2014.07.153
[61] 卡拉米,A。;Nayebi,A.,在循环充放电条件下具有浓度依赖性材料行为的锂离子电池的运动硬化分析,J.Power Sources,461,8(2020)·doi:10.1016/j.jpowsour.2014.07.153
[62] Nadimpalli,特殊目的公司;Tripuraneni,R。;Sethuraman,VA,《电化学锂化/脱锂循环期间锗薄膜电极的实时应力测量》,《电化学杂志》。Soc.,162,A2840-A2846(2015)·doi:10.1149/2.0941514jes
[63] 王,X。;王,B。;Meyerson,M。;穆林斯,CB;Fu,Y。;朱,L。;Chen,L.,集成反应扩散动力学和弹塑性变形的相场模型,应用于锂化硒掺杂锗电极,国际力学杂志。科学。,144, 158-171 (2018) ·doi:10.1016/j.ijmecsci.2018.05.040
[64] 张,PP;贾,ML;Ma,ZS,随着锂浓度的增加,结晶Li-Ge相的弹性特性:第一原理研究,Aip Adv.,8,9(2018)·数字对象标识代码:10.1063/1.5036664
[65] 黄,S。;风扇,F。;李,J。;张,S。;Zhu,T.,锂离子电池中高容量电极颗粒在锂化过程中的应力产生,材料学报。,61, 4354-4364 (2013) ·doi:10.1016/j.actamat.2013.04.007
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