力电化学耦合中石墨烯率相关性的应力原位测量与机理分析

【作者】 谢海妹； 宋海滨； 杨伟； 张茜； 亢一澜；

【机构】 天津大学机械工程学院力学系现代工程力学天津市重点实验室；

【摘要】 锂离子电池作为一种能源贮备装置,广泛应用便携式电子设备,家用电子设备和电动汽车等领域中。这些领域的快速发展要求锂离子电池具有更好的性能、可靠性和可持续性,这强烈依赖于电化学过程中力-电-化学耦合行为基本认知与规律掌握,最关键的是应力与电化学过程的耦合。本文针对电化学过程中石墨烯电极的微尺度变形与应力开展原位实验研究。首先在带窗口的纽扣电池中通过拉曼光谱原位采集不同的充放电速率下石墨烯电极的峰位频移,给出应变敏感2D峰位随时间的演化曲线;其次建立微尺度平面应变以及考虑锂致硬化的平面应力与2D峰位定量相关的力学模型;最后结合实测峰位频移和力学模型,定量表征石墨烯电极在电化学过程中微尺度变形与应力演化,分析讨论其与宏观现象差异的变形机理以及率响应特性。实验结果表明石墨烯在微尺度下承受拉应力且速率越大应力越大,层间嵌锂引起的C-C键拉伸和微观浓度梯度是其与宏观现象差异的本质。本工作有助于掌握多尺度的储锂机理,为力电化学耦合的衰退以及性能与效率提升提供实验依据,并且有利于应力与容量电流等之间的理论建模。更多还原