粒子扩散反应过程与介质应变率耦合关系及其在电池中应用研究

Fast charging is an urgent human need of a new generation of chemical batteries, there are some basic problems to be resolved firstly with the charging speed close to the theoretical prediction. A coupling behavior between the diffusion-reaction rate and the strain rate appears with the speed of particles in the elastic medium, it is the key step to set up a strong coupling theoretic model to describe them. The project concerns lithium ion batteries with silicon as cathode materials and the coupling rules of lithium ion diffusion, lithiation and delithiation and strain rate, to establish mechanical-diffusion-chemical coupling relationship based on large deformation and viscoelastic and convection diffusion equation. Its aims are to find ways for the characterization of the coupling relationship between the particle transport processes and the medium strain rate, and to reveal the influence mechanism on degradation of electrode material mechanical and chemical properties with the dynamic changes of physical diffusion, chemical reaction and mechanical deformation parameters. Finally, it provides theoretical basis verified by experiments for the application of high performance electrode material.

快速充电是人类对新一代化学电池的迫切需求，但是随着充电速度向理论预测水平的逼近，必然会产生基础性问题要先行解决。粒子在弹性介质中扩散与反应速度的提高，使得物理化学反应与应变率产生耦合关系，这种较强耦合关系的表征是解决快速充电问题的理论关键。本项目以硅作为电池阴极材料的锂离子电池为研究对象，研究锂离子扩散、锂化、脱锂等速率和材料应变率之间的耦合规律，基于大变形及粘弹性和对流扩散方程建立力学-扩散-化学耦合关系，研究粒子迁移过程与介质应变率耦合关系的表征方法，揭示物理扩散、化学反应与力学变形参数的动态变化对电极材料力学与化学性能退化的影响机理，通过实验验证，为高性能电极材料的应用提供理论基础。

快速技术在锂电池的应用过程中起到非常关键的作用，需要给出精确的力学分析才能设计合理的电极。高倍率充电下电极材料的动态耦合本构是进行力学分析得前提，目前的研究工作还有所不足。因此本项目围绕以下关键科学问题：.1).基于扩散反应速率表征的介质本构方程反应前后变化规律.2).基于膨胀速率表征的浓度扩散方程与应变率相关介质本构方程之间的相互作用的动态表征方法.进行了相关研究。2017年获得资助后，组织3名教授、 5个博士生、 5名硕士生建立研究组，围绕申请书中研究内容具体开展了以下研究工作：.1).膨胀速率和粒子扩散及反应速率之间的关系表征.2).介质膨胀速率表征的浓度扩散方程与介质本构方程之间的相互作用.3).化学反应前后介质本构关系的变化规律.4).充放电速率对电极材料力学/化学退化的影响.采用非线性连续介质力学、流变力学、扩散学等基本理论，借助数值计算分析和实验测试，建立了锂电池电极材料介质膨胀速率相关的扩散/反应/变形耦合方程，为锂电池电极材料结构设计与工程应用奠定力学理论基础。.项目所取得的成果：.培养博士研究生5名（2名毕业），培养硕士研究生5名（3名毕业）。共发表SCI收录学术论文19篇。所取得的关键学术成果有：.1).建立了介质膨胀速率、应变率表征的动态耦合本构方程.2).分析了快速充电对电极材料力学退化的影响.3).硅负极锂电池充电模式的优化及实验验证