锂离子电池硅薄膜负极的原位力学参数表征

【作者】 齐志凤； 李传崴； 王志勇； 李林安； 王世斌；

【机构】 天津大学机械工程学院力学系；

【摘要】 锂离子电池作为常见的储能电池,具有高能量密度、高功率、低自放电率和环保等优点;目前已经商业化的石墨负极理论容量为372mA·h/g,硅负极的理论容量为4200mA·h/g,因此,硅基材料因其容量高、低脱锂电位和低成本等优点被认为是下一代锂离子电池最具有潜力的负极材料。然而,硅电极在脱锂嵌锂过程中会产生巨大的体积膨胀和很高的应力,从而引起电极结构的力学损伤和电化学性能的大幅度衰减,最终致使电池寿命衰退。因此,开发一种实验手段对硅薄膜电极在充放电过程中的力学行为进行研究尤为必要。本文采用磁控溅射和离子束方法溅射的硅薄膜作为负极,提出了基于CR2032纽扣电池的在线原位测量方法,研究了不同材料组分以及不同厚度的硅薄膜电极在恒流充放电模式下的力学行为,通过采用数字图像相关(DIC)方法对薄膜电极变形的精确测量,得到了硅薄膜变形的三维位移场和应变场;此外,结合本构方程和扩散方程,建立了硅薄膜锂化过程中的力-电化学耦合模型,分析表征了硅薄膜电极力学参数。本文的研究工作,为评价和判定硅薄膜电极的力/电化学损伤提供了理论依据和实验基础,对改进和优化设计新型高性能高容量的锂离子电池具有重要意义。更多还原