《基於核子相互作用勢的殼模型研究及其計算》是依託北京大學，由許甫榮擔任項目負責人的面上項目。
基本介紹
- 中文名：基於核子相互作用勢的殼模型研究及其計算
- 依託單位：北京大學
- 項目負責人：許甫榮
- 項目類別：面上項目
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
鋰離子電池性能優異，廣泛套用於能源、交通、航天等領域。在電池充放電過程中，鋰離子的嵌、脫伴隨著複雜的電化學反應、變形和熱量的耗散。尤其是非均勻擴散應變將引起電極材料損傷、斷裂，常導致電池性能衰減甚至破壞，其力學問題突出。而傳統電化學理論忽略了彈性應力、形位熵等因素，對於這一過程中含表界面效應的顆粒狀電極材料變形理論的關係還不成熟。本項目（1）擬提出電化學力學耦合作用下鋰電池電極變形理論，並採用光學實驗表征方法進行驗證，以期揭示電化學和力學耦合作用機理；（2）發展考慮表、界面效應的鋰電池顆粒狀電極細觀力學，通過納米壓痕等實驗表征方法進行驗證，以期建立細觀電極顆粒和巨觀電極薄膜之間的聯繫；（3）基於建立的變形理論、細觀力學模型，提出電極材料的微結構設計方法，最佳化電池工作性能。本項目期望在鋰離子電池電化學力學變形理論、細觀力學理論獲得原創性成果，將為鋰電池電極設計、製備和工程套用方面提供指導。
結題摘要
鋰離子電池由於優越的性能已廣泛套用於消費電子、交通等領域。在充放電過程中，鋰離子在電池正負極之間反覆脫嵌，並伴隨著複雜的電化學反應、機械變形。非均勻擴散和外部約束往往會在電池內部產生較大的應力，導致電極材料的斷裂和各組分界面的脫粘等力學衰減行為，電化-力耦合問題突出。但目前對電極材料電化-力耦合作用機理還不完全清楚，實驗表征手段有限以及缺乏有效的解決方案。本項目針對鋰離子電池電極材料，從理論模型、實驗表征和微結構設計對電化-力耦合行為進行研究。主要研究內容包括電極材料電化-力耦合變形理論的建立、電極材料應力及細微觀變形的原位實驗表征和電極微結構設計。本項目首先針對顆粒狀電極，建立了考慮各向異性性質和表面應力的電化-力耦合變形理論，很好地解釋了各向異性電極的充放電策略以及納米尺度電極表現出的尺寸效應；基於多光束光學感測器和光學顯微鏡，開發了可以同時獲取電極薄膜應力和變形的原位光學觀測系統，並很好地套用於矽電極薄膜的應力和厚度方向變形的實時測量；基於掃描電子顯微鏡，發展了電極材料微觀形貌演化的原位實驗表征平台，實現對電極微觀形貌實時高精度觀測，並結合數字圖像相關法，計算了電極表面變形場和應變場；基於光學原位表征平台，首次報導了矽薄膜在充放電過程中的變色現象，並揭示了電化-力耦合變色調控機理；基於實驗表徵結果和變形理論，提出了矽電極微結構空心非等軸設計方法，極大地緩解了電極斷裂行為，提高了矽電極的機械完整性和相應的電化學性能；結合普適性的高粘度墨水和可定製化的PDMS軟模板，設計製備了自支撐可變形的剪紙電極，具有電極微結構設計性強、機械穩定性高的優點。這些研究結果為電極材料衰減機理、電化-力耦合行為的實驗表征和微結構設計等方面提供了新的思路，並將促進下一代鋰離子電池的發展。
