位错机制对电池电极中扩散诱导应力的影响文献综述

 2021-10-08 06:10

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位错这一概念最早由意大利数学家和物理学家维托伏尔特拉(VitoVolterra)于1905年提出。位错又可称为差排(英文:dislocation),在材料科学中,指晶体材料的一种内部微观缺陷,即原子的局部不规则排列(晶体学缺陷)。从几何角度看,位错属于一种线缺陷,可视为晶体中已滑移部分与未滑移部分的分界线,其存在对材料的物理性能,尤其是力学性能,具有极大的影响。理想位错主要有两种形式:刃位错和螺旋位错。混合位错兼有前面两者的特征。数学上,位错属于一种拓扑缺陷,有时称为孤立子或孤子。这一理论可以解释实际晶体中位错的行为:可以在晶体中移动位置,但自身的种类和特征在移动中保持不变;方向(伯格斯矢量)相反的两个位错移动到同一点,则会双双消失,或称湮灭,若没有与其他位错发生作用或移到晶体表面,那么任何单个位错都不会自行消失(即伯格斯矢量始终保持守恒)。

目前位错理论不仅仅局限于塑性变形等问题,在滞弹性、断裂、相变、晶体的电磁性能、晶体的光学性质以及超导体等领域位错理论也愈来愈重要。

位错理论的发展历史较短,还存在一些不完善之处。弗兰克和斯蒂兹在1975年的一篇晶体位错的评论中指出:位错有些理论是确切的,因为它们是纯几何的或纯形貌的。有些部分显然是近似的,然而是可靠的。但现在必须依靠全部的理论方法以及观察和推测来谋求进一步发展。除了这些近似之外,在位错领域中迄今还没有完全解决的主要问题是如何填补单个位错的性质和位错集团的行为之间的鸿沟。因此,位错理论尚待今后进一步发展和完善。

那么位错的存在又会对电池电极中的力学性能造成何种影响呢?

锂离子电池由于具有电压和能量密度高、循环寿命长、能量效率高、自放电小、无记忆效应和无污染等优点,成为目前最有前途和竞争力的二次电池。锂离子电池已经广泛应用于便携式消费电子产品,如MP3、智能手机、笔记本电脑、数码相机、电动工具等。并且,随着成本降低、寿命和可靠性等性能的进一步提高,锂离子电池在电动汽车和能源存储等应用领域已经崭露头角,有望在未来510年超过消费电子产品成为其第一大应用领域。然而,锂离子电池普遍采用易燃的烷基碳酸酯有机溶液作为电解液;其作为负极的石墨在充电态时化学活性接近金属锂:在高温下表面的SEI膜分解,嵌入石墨的锂离子与电解液、粘接剂PVDF会发生反应,这些都伴随着大量热的释放;其作为正极的过渡金属氧化物在充电态时具有较强的氧化性,在高温下易分解释放出氧,释放出的氧与电解液发生燃烧反应,继而释

放出大量的热。因此,在滥用的情况下,安全设计不足的锂离子电池会有热失控的可能,如冒烟!起火甚至爆炸等,从而导致危害人身和财产安全的不良后果。电动汽车和能源存储电池容量比消费电子产品大得多,达到几十Ah甚至上百Ah,使用条件比消费电子产品更为复杂,因此其安全性能更为关键,甚至被视为目前阻碍大规模应用的技术瓶颈。

为保证消费者的利益,国内外有关组织相继制定了锂离子电池安全测试标准。目前普遍使用的安全检测项目包括三个方面:热滥用、机械滥用和电滥用。电池的安全性能在本质上决定于电池材料的热稳定性,但又和电池的设计!滥用条件等密切相关。

在过去的十年,由于电池材料热稳定性的提高、对电池安全性能理解的加深以及新的提高安全的装置与措施不断被开发出来,锂离子电池的安全性能有了较大的提高。然而,随着对锂离子电池能量密度的要求不断提高,而要提高锂离子电池的安全性能往往需要以牺牲锂离子电池的性能为代价,电池的安全性能面临越来越大的挑战。特别是在未来几年,锂离子电池在电动汽车上的应用越来越广泛。一方面,目前对EV电池能量密度要求越来越高,EV电池单体容量一般在几十Ah,甚至上百Ah,超大容量EV锂离子电池的安全性比小容量的消费电子产品用锂离子电池的安全性要差。另一方面,EV电池包中电池个数较多,使用条件复杂,电池被滥用的概率增加。开发和使用热稳定性高的材料是将来改善锂离子电池安全性能的根本途径和努力的方向。另外,改进锂离子电池制造工艺、优化锂离子电池安全设计和开发锂离子电池内短路的评估方法及其检测手段也是未来锂离子电池制造商的主要努力方向。

随着技术的进步,锂离子电池将广泛应用于电动汽车、航空航天、生物医学工程等领域,因此,研究与开发动力用锂离子电池及其相关材料有重大意义。然而,扩大锂电池技术用于这些应用仍然是有许多问题亟待解决,如安全性、成本、宽操作温度和材料的可用性等。所以弄清位错机制对电池电极中扩散诱导应力的影响,实现能量和动力的量子跳跃这一重要内容将是解决上述问题的新方向。

随锂离子扩散引用应用分布的主要是正极与负极,特别是负极如石墨材料在充放电过程中的体积变化明显,会有应力产生。正极当然也有,但由于体积变化相对较小,情况弱一些。这个与电极的设计、孔隙等很多因素有关,当然也有电极的滚压过程参数等有关。但是电芯在某些电池中安装时空隙小,会有应力分布的问题。所以研究位错机制对电池电极中扩散诱导应力会造成何种影响将是一项具有实际意义的操作方案。

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