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剖析NMC资料在放电过程中应力分布及特点

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剖析NMC资料在放电过程中应力分布及特点

通告日期:2017-08-03 笔者: 点击:

    NMC资料凭借着他高容量和低成本等优势,把广大的使用在机关工具等世界,最近随着厦门电动汽车的飞速发展,NMC资料锂离子电池被广大的使用在动力电池领域。从而NMC资料也吸引了广阔研究工作者关注,在前头的篇章中我们也介绍了新年材料NMC表形貌对伊电化学性能和循环稳定性有着重要的影响。

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  在充放电循环过程中,鉴于NMC资料内部的相变和Li总量的转移,会引起晶体的膨胀,在颗粒内部产生应力,更为严重的是出于在电极上、大颗粒内部电流分布不均衡,导致不同局部的SOC状态存在着较大的区别,这导致不同颗粒之间的风力状态不同,导致了颗粒之间的链接断裂和粒子表面裂纹的产生。

  那些裂纹的生存会促使NMC其间的联网金属元素溶解,电解液被氧化,正极界面膜的产生和发育,联网金属元素在负极表面析出会破坏负极表面的SEI膜,于是导致NMC资料在循环过程中各路衰降和电压衰降。

  其次上述分析颗粒看出NMC资料在充放电过程中的应力状态和转移特点都对NMC长远循环稳定性有着至关重要的影响。前不久韩国印第安纳大学与普度大学印第安纳波里斯联合分校的Linmin Wu等人口采取三维有限元分析了NMC在充放电过程中应力的产生过程和转移特性。

  研讨发现,在充放电过程中,球粒凹陷和凸出部分所负担的风力最大,鉴于应力的打算,球粒的接入处可能发生断裂,于是产生与导电网络绝缘的颗粒,导致容量损失。而连接断裂但是没有与导电网络绝缘的颗粒,更容易在颗粒的外部产生裂纹。在漫长的循环中,鉴于颗粒内部的相变的积累,也会造成材料颗粒的风力逐渐增多,影响材料的老循环稳定性。

  最先LinminWu采取同步加速X-ray军民共建了NMC半电池的布局,接下来引入了大量之数学公式用以描述电化学反应和微重力产生,接下来利用该模型研究了在不同之倍率下NMC资料的化学反应和微重力产生。鉴于篇幅所限,建模过程我们就不详述了,仅对主要的组成部分做简单的叙说。

  电池建模过程主要分为两个组成部分,电化学建模和机械建模。电池的电化学模型主要用于描述电池的考古学特性、现实和电荷传输,电化学建模过程主要是基于Doyle和Fuller等人口之劳作进展,暌违对正极颗粒、电解液和规模进行了生态学模拟。机械建模主要对NMC球粒进行了模拟,关键分析了颗粒的风力和形变。最终对模型的边界条件和资料的特征进行了设定。

  宪章结果表现,在发射的长河中随着Li+嵌入到NMC资料中,NMC球粒的风力逐渐增大,在一体化的发射态下应力达到最大,接下来应力开始下跌,这第一是出于在一体化放电状态时,资料会从层状结果向尖晶石结构进行转变,于是导致颗粒的风力变化。并且这一最大应力会随着放电电流密度之充实而增大,例如在2C的倍率下,最大应力为271.52MPa,这大约是1C倍率下最大应力的2倍,0.5C倍率下的4倍。

  而应力一旦达到材料的折衷强度,就会导致材料结构破坏,造成失效,鉴于缺乏NMC的折衷强度数据,因此以LiCoO2的折衷强度为参考,LiCoO2的折衷强度约为200MPa,从而这也就是说在2C的倍率下完全放电会导致NMC资料颗粒发生失效。

  为了进一步研究NMC的失效模式,对NMC资料的风力分布进行了研讨,意识:1)与导电网络绝缘的颗粒将不会产生应力;2)球粒的凹陷处和凸出处是电力最为集中的中央,要远高于其它各州;3)不考虑应力集中的中央,球粒表面的风力要明了高于颗粒内部的风力。鉴于颗粒的凹陷处和凸出处应力最为集中,从而会导致颗粒的接入处发生断裂,于是造成颗粒与导电网络发生绝缘,发生容量损失。

  该项研究重点得出了以下结论:

  1)随着放电倍率的充实,放电电压会降低,这第一是电池阻抗增加的结果;

  2)在放电过程中由于颗粒连接处断裂会造成颗粒与导电网络绝缘造成客流损失,而这些虽然颗粒连接处断裂,但是仍然与导电网络接触的颗粒,则更容易在颗粒的外部形成裂纹;

  3)随着放电的展开,球粒的风力逐渐增多,在一体化放电时达到最大,但是随后由于相变的发生导致应力下降。随着放电倍率的充实,最大应力也在增加;

  4)NMC球粒的凹陷处和凸出处的风力最为集中,预应力最大。球粒表面的风力要高于颗粒内部的风力;

  5)最大应力更容易出现在凹陷处,研讨显示凹陷处的最大应力为凸出处最大应力的四倍。


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