摘要
锂离子电池作为一种绿色高效、无污染的储能装置，具有高电压平台、高能量密度和循环寿命长等优点，在航空航天、卫星等空间领域显现了良好的应用前景。但是空间锂离子电池的工作环境实际涵盖了电场、化学场、力场、辐射场等多物理场耦合，一方面，在电场和化学场作用下，锂离子在高容量电极间嵌入和脱出导致严重的体积变形甚至破坏，造成其电化学性能衰退；另一方面，辐射场作用的多变量耦合失效问题更为复杂，严重制约锂离子电池在空天领域的应用。因此，要从根源上认识和解决这一关键科学问题，探究其失效机理是刻不容缓的。 为了解决辐射环境下高容量锂离子电池电极材料锂化耦合的力学及电化学失效问题，本文通过辐照实验、电化学性能测试及表征，结合理论分析和有限元模拟，建立金属电极的辐射-电化学耦合塑性模型、基于两相锂化的电极材料辐射-电化学耦合本构关系以及不同辐照剂量下的电极材料电化学失效理论模型，旨在分析不同辐射条件下电极材料锂化过程中的微观结构及应力演化，辐射对锂离子电池电极材料电化学性能的影响。本论文的主要研究工作包括以下几个方面： (1)建立高容量电极材料两相锂化过程的应力演化解析模型，通过一个S函数描述两相锂化的一维浓度分布，基于弹塑性解析模型求解锂化应力，深入分析了球形颗粒锂化变形过程中浓度场和应力场的动态演化。发现锂化应力在两相界面处突变，且球形电极颗粒表面环向应力由压应力转变成拉应力，表明了材料破坏的威胁。结合能量破坏准则，刻画了首次锂化过程中发生破坏时的临界状态。 (2)进行不同辐照剂量，不同电荷状态及温度下交叉工况的对比实验。发现，随SOC增加，弹性模量的降低，屈服应力降低；随辐照剂量的增加，出现辐照硬化；屈服应力随辐照温度的升高而减小。基于此建立了以电荷状态、辐射剂量和温度为内变量的辐射-电化学耦合弹塑性模型。并进一步建立了基于两相锂化的球形电极颗粒微观辐射缺陷-电化学位错耦合塑性模型。结果表明，辐照缺陷阻碍位错滑移，为辐照硬化，当缺陷密度大于10?4nm?2，表现为过屈服点软化。 (3)建立了辐射条件下锂离子电池电极材料电化学失效模型，通过有限元模拟，分析辐射剂量对电极材料电化学性能的影响。发现辐射损伤会导致电极材料产生缺陷，Li+扩散系数降低，电化学性能衰减。对Sn薄膜电极进行1011、1012、1013及1014n·cm?2剂量的中子辐照，电化学性能测试及表征(AFM,SEM)，观察到随着辐照剂量增大，电极表面出现明显的空洞，电池容量损失最高达到50%。
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