【摘 要】
：
金属锂被认为是具有高理论比容量的电池负极材料.然而,锂枝晶的生长可能会连接正负极导致爆炸等事故.因此,抑制锂枝晶对提高锂电池的安全性至关重要.本工作通过非线性相场模型与热模型耦合,首先探究了不同初始条件下的锂枝晶形貌及其温度场分布.由于反应放热,随着反应的进行,锂枝晶区域的温度高于电解质区域的温度,并在二者界面处形成温度梯度.然后,研究了不同温度下锂枝晶的形貌特征并量化了抑制效果.研究发现,温度越低,充电过程中生成的锂枝晶越长,数目越多,侧枝越多,从而在放电过程中形成“死锂”的可能性越大.通过改变脉冲电流
【机 构】
：
北京科技大学能源与环境工程学院,北京 100083
论文部分内容阅读
金属锂被认为是具有高理论比容量的电池负极材料.然而,锂枝晶的生长可能会连接正负极导致爆炸等事故.因此,抑制锂枝晶对提高锂电池的安全性至关重要.本工作通过非线性相场模型与热模型耦合,首先探究了不同初始条件下的锂枝晶形貌及其温度场分布.由于反应放热,随着反应的进行,锂枝晶区域的温度高于电解质区域的温度,并在二者界面处形成温度梯度.然后,研究了不同温度下锂枝晶的形貌特征并量化了抑制效果.研究发现,温度越低,充电过程中生成的锂枝晶越长,数目越多,侧枝越多,从而在放电过程中形成“死锂”的可能性越大.通过改变脉冲电流的频率,分析了不同充电频率下的枝晶长度和形貌特征.研究结果表明,5 ms的脉冲之后接10 ms的休息周期是抑制锂枝晶的合适频率,在此频率下可以得到较为均匀的沉积表面.通过探究在不同过电位和扩散系数下的枝晶平均生长速率,引入了一个无量纲数Da来阐明扩散与电极反应之间的竞争关系,得出减小反应速率和扩散速率之间的差距是抑制锂枝晶的必要条件.
其他文献
冷冻电镜(cryo-EM)是表征辐照敏感材料的有力工具,已经在生命科学领域得到了广泛的应用和认可,并在2017年获得了诺贝尔化学奖.同年,冷冻电镜首次被应用于观察金属锂的纳米结构,取得了一些前所未有的结果,从此也在电池领域备受关注和蓬勃发展.冷冻或低温不仅可以有效地缓解高能电子束对样品造成的辐照损伤,而且可以大幅降低样品的反应活性,提高样品的稳定性.冷冻电镜可以为辐照敏感材料提供纳米甚至是原子尺度的微观结构信息.本文重点介绍了冷冻电镜在表征锂电池中辐照敏感材料的相关应用和成果,包括冷冻聚焦离子束-扫描电子
作为新一代电化学储能体系,锂离子电池在消费电子产品、交通动力系统、电网储能等领域具有重要的应用价值.然而,在锂离子电池的商业化进程中,安全性事故时有发生,影响了锂离子电池的大规模应用.本文从电池安全性的三个研究尺度:材料、电芯、系统,综述了与之对应的重要研究方法,其中每个尺度均包括基于物理样品的实验方法和基于计算机数学模型的模拟方法.本文介绍了这些方法的基本原理,通过典型案例展示了这些方法在安全性研究中的适用场景和作用,并探讨了实验和模拟方法之间的联系,着重介绍了材料热分析、材料加热过程中结构分析、电芯加
采用多弧离子镀技术,设计沉积工艺和调整阴极弧源靶组合以及对应的弧源电流,制备出以CrN为基形貌和厚度相同、A1/Ti摩尔比不同的系列(CrTiAl)N硬质膜.测试膜的成分、组织形貌、相组成和表面硬度,研究了A1/Ti摩尔比对其相结构和硬度的影响.结果 表明:不同A1/Ti摩尔比的(CrTiAl)N膜其相组成相同,都呈现(200)和(111)晶面择优生长.随着膜层的A1/Ti摩尔比从0.38提高到0.85,其硬度表现出规律性的变化.A1/Ti摩尔比为0.49的(CrTiAl)N膜硬度最高(达到HV4200)
可充电电池已被广泛应用于电动汽车等国家重点战略发展领域,然而在电池反复的充放电过程中,金属离子的不均匀沉积会导致电极表面枝晶生长,电池可逆容量降低和内部短路.枝晶的形成是极其复杂的过程,涉及到电化学、热力学、动力学和结晶学等多个学科,并受到充电条件、压应力、电池组分、温度、磁场等多重因素的影响.本文系统剖析了枝晶成核和生长过程中涉及到的理论模型,全面回顾了相场模拟在可充电电池枝晶问题中的研究进展,重点讨论充电条件、应力、外压及离子分布等因素对枝晶生长的影响,给出了电化学相场模拟在电池枝晶领域的研究范式.进
二维层状过渡金属碳化物(氮化物)MXenes以其独特的物理和化学性能成为新型储能器件电极材料的重要候选材料,目前研究最广泛的MXenes材料为美国Drexel大学Gogotsi课题组于2011年以MAX相陶瓷材料Ti3AlC2为前驱体制备的Ti3C2Tx.结合本课题组对Ti3C2Tx/SnO2复合材料储锂性能的探索,本文综述了近年来二维与三维MXenes作为储能材料的新型制备手段,分析了三维MXenes及复合体系的储能优势,然后总结了目前比较主流的MXenes能量存储机制.大量资料表明:目前主要以HF或者
电化学阻抗谱(EIS)是一种常用的电化学测试方法.通过EIS可以获取研究体系的各种动力学信息,比如电荷转移,双电层充电和物质传输等.EIS数据的解析依赖于合理的模型,常见的模型分为等效电路模型和物理模型.本文简要介绍了EIS物理模型三种常见的求解方法:解析求解,时域数值方法和频域数值方法.我们首先以一个经典的带有法拉第反应的双电层界面为例,仅考虑扩散控制传质的情况下,推导了相应的解析解,介绍了数值求解EIS的时域方法和频域方法,并对比了不同方法的结果.然后,我们以电池中常见的金属离子沉积反应为例,给出了零
固体电解质界面(solid electrolyte interphase,SEI)是电池中“最重要也是最不被理解”的部分.可控合成性能优异的SEI是实现高能量密度电池的关键技术之一.但是,由于SEI的形成过程涉及到多个时间和空间尺度,并且涉及到多场耦合,导致SEI结构异常复杂.现有实验表征手段无法精确解析其微观结构和形成机制.近年来,高速发展的多尺度理论模拟,为理解和解析SEI结构提供了强有力的新手段.本文总结了近年来针对SEI研究发展出来的关键模拟技术,重点关注微-介观(<100 nm)尺度的理论模拟方
锂(离子)电池电极表面的固态电解质中间相(solid electrolyte interphase,SEI)是电池安全性、使用寿命及倍率性能等的关键影响因素.提高SEI的力学性能,如杨氏模量,可以使其更好地包容锂离子脱嵌带来的电极材料体积变化.原子力显微镜(AFM)纳米压痕技术能够在获得样品表面形貌的基础上测量相应区域的杨氏模量,但这种方法通常需要在样品不同区域采集大量的力曲线,才能得到具有统计意义的杨氏模量数值,因此比较费时耗力.最近有文献报道利用AFM中的AM-FM(amplitude modulat
本工作在不同干燥温度下分别制备了以聚偏二氟乙烯(PVDF)、丁苯橡胶/羧甲基纤维素钠(SBR/CMC)和海藻酸钠(SA)为黏结剂的碳包覆氧化亚硅多孔复合负极,并对其进行了系统的准静态拉伸和界面拉剪测试,以考察干燥温度对不同体系复合电极力学行为的影响.结果表明,提高干燥温度虽会提升电极干燥效率,但受高温下电极黏结剂厚向迁移的影响,各粘接体系下电极的拉伸性能和电极/集流体界面粘接性能都会随之削弱.干燥温度越高,力学性能削弱幅度越大.三种粘接体系相比,SBR/CMC体系在高温干燥后仍能保持较高的拉伸强度/模量比
清洁和可持续能源的大量应用和电动汽车行业的快速发展,为先进的储能/转换技术和设备带来了前所未有的机遇.可充电式锌-空气电池(ZAB)拥有的能量密度高、环境友好、安全性能高、成本低等优势,被广泛认为是最有前景的金属-空气电池之一.更重要的是,锌-空气电池所使用的锌资源丰富、价格便宜、能量密度适中以及还原潜力高.但由于在充电过程中空气阴极上氧还原反应的动力学过程十分缓慢,使得空气电池产生了相对大的超电势,也导致了ZAB无法实现商品化应用.沸石咪唑基金属有机框架(ZIFs)衍生的催化剂具有显著促进氧反应的能力.