循环充放电过程中多壳层空心球结构锂电池材料应力场形成及变形机理研究

Due to a large interior space, shorte ion and electron diffusion path, and an internal adjustable cavity structure, Multi-shell hollow spheres show great potential and superiority in designing new functional materials. Multi-shell hollow spheres thus have a wide range of applications in the area of electrode materials of lithium batteries and the fields of optoelectronic devices, chemical sensors, catalysis and drug delivery. Since high stress concentrations and large deformation are induced in the high-capacity lithium electrode materials made up of multi-shell hollow spheres during charge-discharge cycles, the induced cracks and chalking at the surface of lithium electrode materials always lead to the declining of the capacity of lithium batteries. The project will use theoretical analysis, numerical simulations and experimental methods, consider the interaction between multi-shell hollow spheres, obtain exact analytical solutions for the stress distribution within multi-shell hollow spheres under non-asymmetric constraints at the out surface of hollow spheres, then consider each multi-shell hollow sphere as calculation unit to study the non-uniform stress distribution and failure mechanism of lithium electrode materials made up of multi-shell hollow spheres, and find optimization parameters for wall thickness and elastic constants in order to provide theoretical and experimental basis for designing the high-capacity lithium batteries.

多壳层空心球具有较大的内部空间、更短的离子及电子扩散路径，又具有可调的内部空腔可以调节和适应结构与体积变化，体现出极大的设计潜力和优越性。在锂电池材料及光电器件、化学传感器、催化、药物输送等领域都有广泛应用前景。针对目前高容量锂电池多壳层空心球电极材料在循环充放电中由于锂离子嵌入和嵌出造成较大体积变化而引起应力集中和大变形，造成电极材料产生膨胀和裂纹，引起表面粉化、剥落而导致锂电池材料衰退和使用寿命缩短问题。此项目通过跨学科理论分析、数值计算和实验方法，首先得到不对称约束下多壳层空心球壳内应力分布的精确解析解，然后以每个多壳层空心球为构造和计算单元，系统研究循环充放电时多壳层空心球结构材料内不均匀应力场分布，揭示多壳层空心球结构锂电池材料破坏机理，提出优化设计空心球结构材料方案并具体计算空心球壁厚和弹性常数优化结果。为多壳层空心球结构锂电池电极材料优化设计提供系统理论分析和实验研究基础。

针对目前高容量锂电池多壳层空心球电极材料在循环充放电中由于锂离子嵌入和嵌出造成较大体积变化而引起应力集中和大变形，造成电极材料产生膨胀和裂纹，引起表面粉化、剥落而导致锂电池材料衰退和使用寿命缩短问题。此项目采用理论分析、数值计算和实验方法，系统开展了与循环充放电过程中多壳层空心球结构锂电池材料应力场形成及变形机理研究相关的五个方面深入研究，其中包括：（1）开展了单个单壳层空心球在锂离子嵌入和嵌出时不均匀应力场和变形场研究。找到了利用空心球测试空心球材料杨氏模量和泊松比的试验方法。分析了由于锂离子嵌入和嵌出后引起的体积变形和应力场变化以及空心球壳可能的破坏形式。提出了优化设计空心球壁厚和弹性常数方法并具体计算优化结果。（2）开展了两壳层实心球在锂离子嵌入和嵌出时应力场和变形场研究，通过引入位移势函数得到位移分量的解析式，得到了可以表征内实心球芯和外球壳的应力和应变的解析解。分析了两壳层空心球破坏形式，并与单壳层空心球破坏形式就行了比较。（3）开展了点载荷作用下各向异性空心球不均匀应力分布问题研究，得到了球状各向同性材料空心球内应力分布的精确解析解，提出 了分别表征材料杨氏模量、泊松比和剪切模量的三个各向异性因子，并分析了三个各向异性因子对应力场分布的影响。（4）开展了任意形状的试样在点载荷作用下不均匀应力分布的理论和实验研究，从理论和实验上探索了在点载荷强度试验条件下检测不规则形状试样的可能性。（5）开展了两壳层空心球在锂离子嵌入和嵌出时应力场和变形场研究，得到了两壳层空心球内不均匀应力场和应变场分布的精确解析解。经过以上研究，为多壳层空心球结构锂电池电极材料优化设计提供系统理论分析和实验研究基础。共在力学邻域的国际知名杂志共发表了5篇SCI论文，这5篇SCI论文都是以此项目为第一标注资助成果。