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鋰離子電池失效機理——物理力學理論分析 版權信息
- ISBN：9787030747860
- 條形碼：9787030747860 ; 978-7-03-074786-0
- 裝幀：一般膠版紙
- 冊數：暫無
- 重量：暫無
- 所屬分類：>
鋰離子電池失效機理——物理力學理論分析 本書特色
本書可作為相關專業本科生、研究生教材，也可作為鋰電池領域科研及工程研發人員和技術人員的參考書。
鋰離子電池失效機理——物理力學理論分析 內容簡介
由于鋰離子電池在充放電過程中，電極材料體積容易產生大變形，導致其開裂、甚至粉化，并且現階段沒有一種有效實驗手段去測量電極材料異質界面的結合性能。我們分別對納米顆粒、納米線以及納米面原子的微觀結構進行分析，提出了電極材料表界面失效預測模型、全電池器件熱管理模型、**性原理計算方法等，致力于從物理力學的角度，系統分析鋰電池的失效機理，揭示其本質規律和物理機制。
鋰離子電池失效機理——物理力學理論分析 目錄
目錄
第1章 緒論 1
1.1 鋰離子電池工作原理及結構 1
1.1.1 鋰離子電池結構與原理 1
1.1.2 電解液 2
1.1.3 隔膜 2
1.1.4 鋰離子電池正極材料 2
1.1.5 鋰離子電池負極材料 3
1.1.6 鋰離子電池鋼殼材料 5
1.2 鋰離子電池關鍵材料與器件的失效行為 6
1.2.1 鋰離子電池器件的宏觀性能退化 6
1.2.2 鋰離子電池關鍵材料的失效行為 10
1.2.3 鋰離子電池關鍵材料力學失效與器件失效的關聯 13
1.3 鋰離子電池關鍵材料與器件失效給固體力學提出的巨大挑戰 15
參考文獻 17
第2章 彈塑性力學基礎 23
2.1 預備知識 23
2.1.1 彈塑性力學的研究對象和任務 23
2.1.2 彈塑性力學的基本假設 24
2.1.3 彈性與塑性 24
2.1.4 張量概念和求和約定 26
2.2 應力 29
2.2.1 外力和應力 29
2.2.2 平衡方程和應力邊界條件 33
2.2.3 主應力和主方向 38
2.2.4 球形應力張量和應力偏量張量 39
2.3 應變 40
2.3.1 變形和應變 40
2.3.2 主應變和主方向 46
2.4 應力應變關系 48
2.4.1 各向同性彈性體的胡克定律 48
2.4.2 彈性應變能函數 52
2.4.3 屈服函數和屈服曲面 55
2.4.4 兩個常用屈服準則 59
2.4.5 增量理論 63
2.4.6 全量理論 66
參考文獻 67
第3章 宏微觀破壞力學基礎 68
3.1 宏觀破壞力學分析 68
3.1.1 裂紋的分類及裂紋尖端附近的彈性應力場 70
3.1.2 應力強度因子 74
3.1.3 小范圍屈服下的塑性修正 75
3.1.4 斷裂判據和斷裂韌性 82
3.1.5 彈塑性斷裂力學 88
3.2 微觀破壞力學分析 91
3.2.1 損傷的基本概念及損傷的分類 92
3.2.2 一維蠕變損傷 94
3.2.3 各向同性損傷 97
3.2.4 各向異性損傷 100
3.2.5 損傷與斷裂的交互作用 103
3.2.6 納觀斷裂力學 104
參考文獻 106
第4章 鋰離子電池電極材料力化耦合基本理論 108
4.1 基于小變形彈性的力化耦合理論 108
4.1.1 擴散方程 108
4.1.2 電極材料的彈性應力應變關系 109
4.1.3 耦合機理 109
4.1.4 球（殼）的應力演化 109
4.2 基于小變形彈塑性的力化耦合理論 111
4.2.1 化學反應和流動的非平衡過程 111
4.2.2 非彈性變形 113
4.2.3 泰勒展開 113
4.2.4 線性動力學模型 114
4.2.5 不考慮屈服強度的非線性率相關動力學模型 116
4.2.6 考慮屈服強度的率無關動力學模型 118
4.3 基于大變形彈塑性的力化耦合理論 121
4.3.1 鋰化和變形耦合的非平衡熱力學 121
4.3.2 球形電極顆粒的理論分析 124
4.4 基于應力化學勢的大變形彈塑性力化耦合理論 127
4.4.1 有限變形運動學和動力學 127
4.4.2 變形分解 128
4.4.3 內能與化學勢 128
4.4.4 球形硅顆粒應用示例 130
參考文獻 133
第5章 鋰離子電池高比容量電極材料的失效機理圖 135
5.1 不同結構電極材料的失效預測 135
5.1.1 薄膜電極材料失效破壞理論模型 135
5.1.2 實心活性材料失效破壞理論模型 137
5.1.3 空心活性材料失效破壞理論模型 140
5.1.4 臨界尺寸的實驗驗證 143
5.2 不同結構電極材料的應力場 144
5.2.1 薄膜結構電極材料的鋰化變形及應力演化 144
5.2.2 球結構電極材料的鋰化變形及應力演化 145
5.3 鋰離子電池電極材料的失效機理圖 151
5.3.1 薄膜電極材料的鋰化破壞 151
5.3.2 空心核殼結構電極材料的鋰化破壞 156
5.3.3 實驗驗證 160
參考文獻 162
第6章 基于應變梯度塑性理論的鋰離子電池電極材料失效機理研究 164
6.1 應變梯度塑性理論 164
6.1.1 鋰化相變位錯現象 164
6.1.2 微米量級下的尺度效應 166
6.1.3 應變梯度塑性理論的發展 167
6.2 高容量電極材料的結構模型及理論模型 168
6.2.1 高容量電極材料的結構模型 168
6.2.2 高容量電極材料的鋰化擴散控制方程 169
6.2.3 考慮擴散和應變梯度塑性理論的彈塑性變形 170
6.2.4 高容量電極材料鋰化變形的有限元分析 174
6.3 高容量電極材料的鋰化變形及應力分析 176
6.3.1 von Mises應力演變及塑性屈服分析 177
6.3.2 垂直應力演變及關鍵位置的應力分析 179
6.3.3 水平應力演變及關鍵位置的應力分析 181
6.4 高容量電極材料的鋰化損傷及破壞分析 184
6.4.1 高容量電極材料損傷機理 184
6.4.2 鋰化界面損傷及剝離分析 186
6.4.3 鋰化上表面損傷及斷裂分析 191
參考文獻 195
第7章 輻射環境下鋰離子電池電極材料的失效預測 200
7.1 高容量電極材料兩相鋰化解析模型 200
7.1.1 高容量電極顆粒的兩相鋰化濃度分布函數 200
7.1.2 高容量電極顆粒的應力解析模型 201
7.1.3 高容量電極顆粒兩相鋰化的臨界破壞狀態 206
7.1.4 物理場分析 206
7.2 輻射電化學耦合塑性模型 210
7.2.1 輻射條件下離子擴散動力學理論 210
7.2.2 輻射效應的影響規律 215
7.3 基于輻射的兩相鋰化微觀機理 221
7.3.1 基于輻射電化學耦合的屈服函數 221
7.3.2 基于輻射的兩相鋰化彈塑性模型 223
7.3.3 結果分析 229
7.4 基于輻射電化學耦合的模擬與實驗表征 235
7.4.1 幾何模型 235
7.4.2 有限元模型 237
7.4.3 有限元計算結果分析 237
7.4.4 中子輻照對鋰離子電池電化學性能的影響 241
參考文獻 244
第8章 鋰離子電池熱力化多場耦合模型 250
8.1 鋰離子電池電化學模型 250
8.1.1 電荷守恒方程 252
8.1.2 質量守恒方程 253
8.1.3 電極動力學 253
8.2 鋰離子電池熱模型 254
8.2.1 二維熱模型 255
8.2.2 三維熱模型 255
8.3 鋰離子電池應力模型 256
8.4 鋰離子電池電化學熱耦合模型 257
8.5 鋰離子電池電化學力耦合模型 258
8.6 鋰離子電池熱力化耦合模型 259
參考文獻 260
第9章 鋰離子電池電極材料多場耦合條件下的物理場 264
9.1 鋰離子電池化熱耦合條件下的溫度場 264
9.1.1 對流換熱系數對電極材料溫度場的影響 265
9.1.2 表面熱輻射率對電極材料溫度場的影響 267
9.2 鋰離子電池電極材料化力耦合條件下的多場分析 268
9.2.1 空心核殼結構負極材料化力耦合條件下的濃度場和應力場分析 268
9.2.2 薄膜結構負極材料化力耦合條件下的濃度場和應力場分析 272
9.3 鋰離子電池電極材料熱力化耦合條件下的濃度場和應力場 275
9.3.1 空心核殼結構正極材料熱力化耦合條件下的濃度場和應力場分析 276
9.3.2 兩球形正極顆粒相接觸下熱力化耦合作用的濃度場和應力場分析 283
9.3.3 二維螺旋卷繞鋰離子電池熱力化耦合條件下的物理場 285
參考文獻 296
第10章 鋰離子電池高低溫條件下的電化學性能 299
10.1 鋰離子電池不同溫度下放電行為存在的問題 300
10.2 常溫下LiMn2O4鋰離子電池放電過程的電化學熱研究 301
10.2.1 模型驗證 303
10.2.2 鋰離子電池放電過程中的電化學研究 303
10.2.3 鋰離子電池放電過程中的熱效應 307
10.3 低溫下LiMn2O4鋰離子電池放電過程的電化學熱研究 311
10.3.1 模型的有效性分析 311
10.3.2 低溫下鋰離子電池放電過程的電化學研究 312
10.3.3 低溫下鋰離子電池放電過程的熱研究 314
10.3.4 低溫下鋰離子電池的優化設計 318
10.4 高溫下LiMn2O4鋰離子電池放電過程的電化學熱研究 324
10.4.1 高溫下LiMn2O4鋰離子電池的電化學性能 324
10.4.2 高溫下LiMn2O4鋰離子電池的熱行為 325
10.4.3 高溫下LiMn2O4鋰離子電池的熱力學參數 325
參考文獻 328
第11章 相變材料在鋰離子電池熱管理中的應用 332
11.1 電池熱管理系統概述 332
11.2 相變材料（PCM）在電池熱管理系統中的應用 334
11.3 相變材料對單體電池溫度分布的影響 337
11.3.1 基于二維熱模型的單體電池熱管理系統 337
11.3.2 基于三維熱模型的單體電池熱管理系統 342
11.4 相變材料對鋰離子電池組溫度分布的影響 352
11.4.1 相變材料對電池組溫度的控制 352
11.4.2 相變材料厚度對電池組溫度的影響 353
11.4.3 不同因素對電池組停止充放電后散熱效果的影響 355
11.4.4 基于相變材料的耦合熱管理系統 358
參考文獻 360
第12章 鋰離子電池熱管理系統與結構設計 364
12.1 基于風冷散熱的電池組熱管理 365
12.1.1 二維方形電池組風冷系統散熱模型 365
12.1.2 二維風冷模型散熱效果 367
12.1.3 二維風冷模型結構優化 370
12.2 基于液冷散熱的電池組熱管理 373
12.2.1 單體液冷電池的建模與分析 374
12.2.2 液冷管電池組模型 379
12.3 基于相變材料散熱的電池組結構設計 386
12.3.1 電池組熱管理模型 386
12.3.2 不同結構散熱性能分析 388
12.4 基于液冷相變耦合散熱的電池組結構設計 391
12.4.1 液冷相變材料耦合散熱的電池組結構設計 391
12.4.2 復合板結構的改進 393
參考文獻 402
第1章 緒論 1
1.1 鋰離子電池工作原理及結構 1
1.1.1 鋰離子電池結構與原理 1
1.1.2 電解液 2
1.1.3 隔膜 2
1.1.4 鋰離子電池正極材料 2
1.1.5 鋰離子電池負極材料 3
1.1.6 鋰離子電池鋼殼材料 5
1.2 鋰離子電池關鍵材料與器件的失效行為 6
1.2.1 鋰離子電池器件的宏觀性能退化 6
1.2.2 鋰離子電池關鍵材料的失效行為 10
1.2.3 鋰離子電池關鍵材料力學失效與器件失效的關聯 13
1.3 鋰離子電池關鍵材料與器件失效給固體力學提出的巨大挑戰 15
參考文獻 17
第2章 彈塑性力學基礎 23
2.1 預備知識 23
2.1.1 彈塑性力學的研究對象和任務 23
2.1.2 彈塑性力學的基本假設 24
2.1.3 彈性與塑性 24
2.1.4 張量概念和求和約定 26
2.2 應力 29
2.2.1 外力和應力 29
2.2.2 平衡方程和應力邊界條件 33
2.2.3 主應力和主方向 38
2.2.4 球形應力張量和應力偏量張量 39
2.3 應變 40
2.3.1 變形和應變 40
2.3.2 主應變和主方向 46
2.4 應力應變關系 48
2.4.1 各向同性彈性體的胡克定律 48
2.4.2 彈性應變能函數 52
2.4.3 屈服函數和屈服曲面 55
2.4.4 兩個常用屈服準則 59
2.4.5 增量理論 63
2.4.6 全量理論 66
參考文獻 67
第3章 宏微觀破壞力學基礎 68
3.1 宏觀破壞力學分析 68
3.1.1 裂紋的分類及裂紋尖端附近的彈性應力場 70
3.1.2 應力強度因子 74
3.1.3 小范圍屈服下的塑性修正 75
3.1.4 斷裂判據和斷裂韌性 82
3.1.5 彈塑性斷裂力學 88
3.2 微觀破壞力學分析 91
3.2.1 損傷的基本概念及損傷的分類 92
3.2.2 一維蠕變損傷 94
3.2.3 各向同性損傷 97
3.2.4 各向異性損傷 100
3.2.5 損傷與斷裂的交互作用 103
3.2.6 納觀斷裂力學 104
參考文獻 106
第4章 鋰離子電池電極材料力化耦合基本理論 108
4.1 基于小變形彈性的力化耦合理論 108
4.1.1 擴散方程 108
4.1.2 電極材料的彈性應力應變關系 109
4.1.3 耦合機理 109
4.1.4 球（殼）的應力演化 109
4.2 基于小變形彈塑性的力化耦合理論 111
4.2.1 化學反應和流動的非平衡過程 111
4.2.2 非彈性變形 113
4.2.3 泰勒展開 113
4.2.4 線性動力學模型 114
4.2.5 不考慮屈服強度的非線性率相關動力學模型 116
4.2.6 考慮屈服強度的率無關動力學模型 118
4.3 基于大變形彈塑性的力化耦合理論 121
4.3.1 鋰化和變形耦合的非平衡熱力學 121
4.3.2 球形電極顆粒的理論分析 124
4.4 基于應力化學勢的大變形彈塑性力化耦合理論 127
4.4.1 有限變形運動學和動力學 127
4.4.2 變形分解 128
4.4.3 內能與化學勢 128
4.4.4 球形硅顆粒應用示例 130
參考文獻 133
第5章 鋰離子電池高比容量電極材料的失效機理圖 135
5.1 不同結構電極材料的失效預測 135
5.1.1 薄膜電極材料失效破壞理論模型 135
5.1.2 實心活性材料失效破壞理論模型 137
5.1.3 空心活性材料失效破壞理論模型 140
5.1.4 臨界尺寸的實驗驗證 143
5.2 不同結構電極材料的應力場 144
5.2.1 薄膜結構電極材料的鋰化變形及應力演化 144
5.2.2 球結構電極材料的鋰化變形及應力演化 145
5.3 鋰離子電池電極材料的失效機理圖 151
5.3.1 薄膜電極材料的鋰化破壞 151
5.3.2 空心核殼結構電極材料的鋰化破壞 156
5.3.3 實驗驗證 160
參考文獻 162
第6章 基于應變梯度塑性理論的鋰離子電池電極材料失效機理研究 164
6.1 應變梯度塑性理論 164
6.1.1 鋰化相變位錯現象 164
6.1.2 微米量級下的尺度效應 166
6.1.3 應變梯度塑性理論的發展 167
6.2 高容量電極材料的結構模型及理論模型 168
6.2.1 高容量電極材料的結構模型 168
6.2.2 高容量電極材料的鋰化擴散控制方程 169
6.2.3 考慮擴散和應變梯度塑性理論的彈塑性變形 170
6.2.4 高容量電極材料鋰化變形的有限元分析 174
6.3 高容量電極材料的鋰化變形及應力分析 176
6.3.1 von Mises應力演變及塑性屈服分析 177
6.3.2 垂直應力演變及關鍵位置的應力分析 179
6.3.3 水平應力演變及關鍵位置的應力分析 181
6.4 高容量電極材料的鋰化損傷及破壞分析 184
6.4.1 高容量電極材料損傷機理 184
6.4.2 鋰化界面損傷及剝離分析 186
6.4.3 鋰化上表面損傷及斷裂分析 191
參考文獻 195
第7章 輻射環境下鋰離子電池電極材料的失效預測 200
7.1 高容量電極材料兩相鋰化解析模型 200
7.1.1 高容量電極顆粒的兩相鋰化濃度分布函數 200
7.1.2 高容量電極顆粒的應力解析模型 201
7.1.3 高容量電極顆粒兩相鋰化的臨界破壞狀態 206
7.1.4 物理場分析 206
7.2 輻射電化學耦合塑性模型 210
7.2.1 輻射條件下離子擴散動力學理論 210
7.2.2 輻射效應的影響規律 215
7.3 基于輻射的兩相鋰化微觀機理 221
7.3.1 基于輻射電化學耦合的屈服函數 221
7.3.2 基于輻射的兩相鋰化彈塑性模型 223
7.3.3 結果分析 229
7.4 基于輻射電化學耦合的模擬與實驗表征 235
7.4.1 幾何模型 235
7.4.2 有限元模型 237
7.4.3 有限元計算結果分析 237
7.4.4 中子輻照對鋰離子電池電化學性能的影響 241
參考文獻 244
第8章 鋰離子電池熱力化多場耦合模型 250
8.1 鋰離子電池電化學模型 250
8.1.1 電荷守恒方程 252
8.1.2 質量守恒方程 253
8.1.3 電極動力學 253
8.2 鋰離子電池熱模型 254
8.2.1 二維熱模型 255
8.2.2 三維熱模型 255
8.3 鋰離子電池應力模型 256
8.4 鋰離子電池電化學熱耦合模型 257
8.5 鋰離子電池電化學力耦合模型 258
8.6 鋰離子電池熱力化耦合模型 259
參考文獻 260
第9章 鋰離子電池電極材料多場耦合條件下的物理場 264
9.1 鋰離子電池化熱耦合條件下的溫度場 264
9.1.1 對流換熱系數對電極材料溫度場的影響 265
9.1.2 表面熱輻射率對電極材料溫度場的影響 267
9.2 鋰離子電池電極材料化力耦合條件下的多場分析 268
9.2.1 空心核殼結構負極材料化力耦合條件下的濃度場和應力場分析 268
9.2.2 薄膜結構負極材料化力耦合條件下的濃度場和應力場分析 272
9.3 鋰離子電池電極材料熱力化耦合條件下的濃度場和應力場 275
9.3.1 空心核殼結構正極材料熱力化耦合條件下的濃度場和應力場分析 276
9.3.2 兩球形正極顆粒相接觸下熱力化耦合作用的濃度場和應力場分析 283
9.3.3 二維螺旋卷繞鋰離子電池熱力化耦合條件下的物理場 285
參考文獻 296
第10章 鋰離子電池高低溫條件下的電化學性能 299
10.1 鋰離子電池不同溫度下放電行為存在的問題 300
10.2 常溫下LiMn2O4鋰離子電池放電過程的電化學熱研究 301
10.2.1 模型驗證 303
10.2.2 鋰離子電池放電過程中的電化學研究 303
10.2.3 鋰離子電池放電過程中的熱效應 307
10.3 低溫下LiMn2O4鋰離子電池放電過程的電化學熱研究 311
10.3.1 模型的有效性分析 311
10.3.2 低溫下鋰離子電池放電過程的電化學研究 312
10.3.3 低溫下鋰離子電池放電過程的熱研究 314
10.3.4 低溫下鋰離子電池的優化設計 318
10.4 高溫下LiMn2O4鋰離子電池放電過程的電化學熱研究 324
10.4.1 高溫下LiMn2O4鋰離子電池的電化學性能 324
10.4.2 高溫下LiMn2O4鋰離子電池的熱行為 325
10.4.3 高溫下LiMn2O4鋰離子電池的熱力學參數 325
參考文獻 328
第11章 相變材料在鋰離子電池熱管理中的應用 332
11.1 電池熱管理系統概述 332
11.2 相變材料（PCM）在電池熱管理系統中的應用 334
11.3 相變材料對單體電池溫度分布的影響 337
11.3.1 基于二維熱模型的單體電池熱管理系統 337
11.3.2 基于三維熱模型的單體電池熱管理系統 342
11.4 相變材料對鋰離子電池組溫度分布的影響 352
11.4.1 相變材料對電池組溫度的控制 352
11.4.2 相變材料厚度對電池組溫度的影響 353
11.4.3 不同因素對電池組停止充放電后散熱效果的影響 355
11.4.4 基于相變材料的耦合熱管理系統 358
參考文獻 360
第12章 鋰離子電池熱管理系統與結構設計 364
12.1 基于風冷散熱的電池組熱管理 365
12.1.1 二維方形電池組風冷系統散熱模型 365
12.1.2 二維風冷模型散熱效果 367
12.1.3 二維風冷模型結構優化 370
12.2 基于液冷散熱的電池組熱管理 373
12.2.1 單體液冷電池的建模與分析 374
12.2.2 液冷管電池組模型 379
12.3 基于相變材料散熱的電池組結構設計 386
12.3.1 電池組熱管理模型 386
12.3.2 不同結構散熱性能分析 388
12.4 基于液冷相變耦合散熱的電池組結構設計 391
12.4.1 液冷相變材料耦合散熱的電池組結構設計 391
12.4.2 復合板結構的改進 393
參考文獻 402
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鋰離子電池失效機理——物理力學理論分析 節選
第1章緒論 1.1鋰離子電池工作原理及結構 1.1.1鋰離子電池結構與原理 鋰離子電池作為一種綠色高效、無污染的新一代能源，是繼鉛酸、鎳鎘電池之后發展起來的新一代蓄電池。與其他電池相比，鋰離子電池由于具有高電壓、高能量密度、循環壽命長、自放電小、無污染等優點，在便攜式電子產品、儲能、電動汽車、軍事、航天等眾多領域顯示出了良好的應用前景和巨大的經濟效益[1，2]。 鋰離子電池是一種常見的二次電池。根據不同的應用領域，鋰離子電池具有各種不同的類型。目前商業上鋰離子電池主要有圓柱、方形等類型。這些鋰離子電池一般擁有五個主要組成部分：電解液、隔膜、正極片、負極片和外殼。鋰離子電池的充放電過程是通過鋰離子（Li+）在正負極之間循環脫嵌來實現的，其工作原理如圖1.1所示。充電時，外部電源使得鋰離子經由正極固液界面從正極材料脫出進入電解液，通過隔膜傳輸到達負極，并*終經由負極固液界面進入負極材料。同時電子通過外接電路從正極材料遷移到負極材料，以形成充電電子流，此時電能得以儲存為化學能；放電時，過程則相反，負極同時逸出相同數量的Li+和電子，分別通過內部通道和外部通道遷移回到正極，化學能得以釋放成電能[3]。 1.1.2電解液 電解液是鋰離子電池中離子傳輸的載體，在正、負極之間起到傳導離子的作用，很大程度上影響著鋰離子電池的性能。鋰電池電解液一般由鋰鹽和有機溶劑組成。作為電解液溶劑，必須滿足以下兩點：①熔點低、沸點高、蒸氣壓低，從而使工作溫度范圍寬；②較高的介電常數與較低的黏度，增加電導率。為了滿足這兩點，通常采用混合溶劑，即采用極性高、相對介電常數大的環狀碳酸酯和極性小、黏度低、相對介電常數小的鏈狀碳酸酯，二者的混合可以在一定程度上取長補短。常見的溶劑有碳酸乙烯酯（EC）、碳酸二甲酯（DMC）、碳酸二乙酯（DEC）等。電解質鋰鹽作為鋰離子的來源，應有以下特點：熱穩定性好，不易分解；電導率高；不與溶劑、電極材料發生反應；具有較寬的電化學窗口；嵌入量高；可逆性好；等等。目前研究過的鋰鹽有LiClO4、LiBF4、LiPF6、LiAsF6等無機鋰鹽以及LiSO3CF3、LiN(CF3SO2)2、LiC(SO2CF3)3等有機鋰鹽[4]。其中，LiPF6因電導率高、綜合性能好，成為目前*常用的鋰鹽[5]。 1.1.3隔膜 隔膜是一種經特殊成型的高分子薄膜，薄膜有微孔結構，可以讓鋰離子自由通過，而電子不能通過。因此既可以防止電池內部發生短路，同時又可以形成電池內部的通電回路。雖然隔膜在電池中是非活性的組成部分，然而，鋰離子電池的電化學性能和安全性與隔膜的原材料、制備工藝、孔結構和厚度等密切相關。從基本性質上講，隔膜需要具有相對于電解液和電極材料的化學和電化學穩定性。同時，為了提高鋰離子電池的電化學性能和安全性，其還需要具有高強度，合適的孔隙率和孔徑尺寸，合理的厚度，*好具有熱關閉功能，在短路時能夠關閉電池，防止熱量進一步集聚，避免熱失控[6]。根據結構和組成，鋰電池隔膜可以劃分為三種類型：①微孔聚合物隔膜：②無紡布隔膜；③無機復合隔膜。其中，微孔聚烯烴隔膜因其具有性能、安全性和成本的綜合優勢，是目前液態電解質鋰電池中應用范圍*廣的隔膜，如聚乙烯、聚丙烯微孔膜[6]。 1.1.4鋰離子電池正極材料 在鋰離子電池中，正負極材料直接參與電池的內部反應。因此，電極材料的相關電化學性能和成本對電池的能量密度、循環穩定性和成本等都起到了關鍵性作用。目前，市場上常用的正極材料有鈷酸鋰（LiCoO2）、錳酸鋰（LiMn2O4）、磷酸鐵鋰（LiFePO4）和鎳鈷錳/鎳鈷鋁三元層狀材料（NCM/NCA）等[7，8]。LiCoO2因具有較高的理論比容量（274mA h g1）、工作電壓高、穩定性好、生產簡易等優勢已成功地用作正極材料，是**個商用鋰離子電池正極材料[9]。然而，其成本高且鈷的供應有限，不能滿足日益增長的能源需求。另一種廣泛使用的正極材料是由Thackeray等開發的LiMn2O4，Tarascon等[10]對其進行了廣泛的研究。LiMn2O4含量豐富，易于獲取，且具有較低的生產成本和良好的電化學性能。因此LiMn2O4在商業應用中得到了廣泛的應用，特別是在需要穩定結構的器件中。然而，該正極材料仍然存在一些問題[11]。例如，錳在高溫下會顯著溶解于電解液中而導致比容量下降。許多研究者嘗試在LiMn2O4表面涂覆無機材料、電化學活性材料等涂層，有效防止了電解液與LiMn2O4直接接觸，使其可在惡劣的環境下使用。1996年，Goodenough等[12]提出使用磷酸鐵鋰（LiFePO4）作為電池的正極材料。LiFePO4是橄欖石晶體結構，在放電過程中變形較小，結構穩定安全，理論比容量大，倍率性能高，環境友好，還具有優良的耐溫性[13，14]。但其導電性差、能量密度較低、充電電壓低[15]限制了其在動力電池中的應用。鎳鈷錳三元正極材料由于其較高的理論比容量和熱穩定性而備受關注。其難點主要在于鈷的價格昂貴，合成和儲存困難，且隨鎳含量的增加，其熱穩定性變差，在高溫或撞擊情況下存在安全隱患。目前，商業上應用的動力電池正極材料主要為三元材料和LiFePO4。 1.1.5鋰離子電池負極材料 常用的鋰離子電池負極材料有碳、鈦酸鋰、合金，以及過渡金屬氧化物等。 1.碳負極材料 *早實現產業化的鋰離子電池負極材料即為碳負極材料，且至今仍在市場上占據主流地位。它有效解決了鋰金屬負極材料的安全性問題，價格便宜，理論比容量為372mA h g1。碳負極材料主要包括石墨類材料（如天然石墨、人造石墨）和非石墨類材料（如軟碳、硬碳）。 石墨類材料擁有穩定的電壓平臺和良好的導電性能，層狀石墨結構可嵌入鋰離子形成Li-C層間化合物，嵌鋰前后體積變化小，結構穩定性強，實際比容量可達327mA h g1，且充放電庫侖效率在90%以上[16，17]。但石墨類材料與電解液兼容差，且鋰離子的擴散系數較小，通過摻雜金屬或非金屬元素、表面包覆、表面氧化處理等方法可提高其電化學循環性能[18]。非石墨類材料具有晶面間距大、晶粒尺寸小、在電解質中比較穩定等優點，并且非石墨類材料存在大量微孔結構，可為鋰離子的嵌入提供更多位置，其實際比容量在合適的熱處理條件下可超過372mA h g1[16]。但是因為缺少穩定的電壓平臺且首次不可逆比容量較大，非石墨類材料的應用受到了一定限制。總地來說，碳負極材料具有安全可靠、電化學性能好等優點，得到了廣泛應用，但其理論比容量較低，可提升空間有限，難以符合人們對動力電池等更高容量鋰離子電池的要求，因此高能量密度的新型負極材料成為目前研究的熱點[19，20]。 2.鈦酸鋰負極材料 鈦酸鋰是一種金屬氧化物負極材料，其完全鋰化后的體積變化小于1%，是*為理想的“零應變材料”。鋰離子在其內部也能輕易地嵌入與脫出，而且整個工作過程對它的晶體結構與對稱性沒有明顯的影響，首次充放電過程對可逆比容量的衰減低，保證其具有優異的結構穩定性和電化學循環性能。它的工作電壓為1.55V，相對穩定；充放電時的高電勢使其在整個充放電工作過程中不與電解液反應，能有效遏制固態電解質界面（SEI）膜的形成，從源頭上抑制鋰枝晶的產生。 3.合金負極材料 合金負極材料指的是能夠以較低的電勢與Li形成合金系統的金屬、金屬化合物或類金屬材料，這類材料來源廣且充足[21，22]。圖1.2為各種合金負極材料的體積比容量和質量比容量統計圖。由于其獨*的儲鋰機理，合金材料通常都具有較高的理論比容量，例如，Li4.4Sn約為780mA h g1，Li3Sb為665mA h g1，LiAl為990mA h g1。遺憾的是，合金負極材料在電池充放電循環過程中均會導致劇烈的體積變形，嚴重影響自身的結構穩定與工作性能。 4.過渡金屬氧化物負極材料 過渡金屬氧化物負極材料通過與鋰發生轉換反應來存儲電荷。嵌鋰時，鋰與氧形成Li—O鍵，納米級的金屬團簇分散在Li2O基體中，由于金屬團簇尺寸很小，此反應顯示出良好的可逆性。 根據嵌鋰機理的不同，可以將過渡金屬氧化物負極材料分為兩大類：一類是鋰離子的嵌入只引起活性材料結構的改變，并沒有Li2O的形成。這類過渡金屬氧化物稱為嵌鋰氧化物，包括TiO2、MoO3、V2O5、Fe2O3、Nb2O5等，它們都具有較高的可逆比容量；另一類是在鋰離子的嵌入過程中發生了轉化反應，產生納米級金屬，散布在**次嵌鋰時形成的Li2O內部，在之后的循環中氧化還原反應伴隨著Li2O的生成和分解。該類材料電化學活性較高，反應可逆性好，主要為MO（M=Co、Ni、Fe、Cu、Mn等），其理論比容量較高，一般可以達到600～1000mA h g1，而且可以進行大倍率充放電[23，24]。過渡金屬氧化物負極材料的主要缺點是在充放電過程中會出現較大的體積效應，比容量衰減較快，循環穩定性較差，并且其導電性較差，工作電勢較高，充放電電壓滯后現象嚴重。針對這些問題，目前人們主要從顆粒尺寸、材料純度、結構組成等方面入手加以改進，提高過渡金屬氧化物負極材料的電化學性能[24]。 1.1.6鋰離子電池鋼殼材料 早期方形鋰離子電池外殼大多為鋼殼，多用于手機電池，后由于鋼殼重量比能量低，且安全性差，逐步被鋁殼和軟包裝鋰離子電池所替代。但在柱式鋰離子電池當中有另外一種景象，絕大部分廠商都以鋼材作為電池外殼材質。因為鋼質材料的物理穩定性、抗壓力遠高于鋁殼材質，在各個廠家的結構設計優化后，安全裝置已經放置在電池芯內部，鋼殼柱式電池的安全性已經達到了一個新的高度。 鋼殼是電池能量來源的載體，正負極材料和電解液都儲存在這個殼體內部。如果殼體保存不好，有很大風險，正常的能量就無法發揮出來。穩定、耐腐蝕、導電導熱，以及可焊接性，都是鋼殼必須具備的。在使用鋼殼材料的過程中，假如產品的防腐蝕能力不高，或者對高溫環境沒有抵抗能力，都會降低鋼殼材料的應用情況。 電池鋼殼分為不銹鋼外殼和低碳鋼外殼（鋼殼鍍有保護層）。不銹鋼成本較高，且不利于深沖，常用于扣式電池，如430型不銹鋼。目前堿性電池、鎳氫電池、圓柱形鋰離子電池（如18650、26650型）等主要采用鍍鎳鋼材作為電池外殼材質，其原因是這類鋼殼的物理性能穩定，抗壓能力優于鋁外殼材料和塑料外殼材料。總體而言，低碳鋼電池外殼（鋼殼鍍有保護層）主要特點有[25-28]： （1）鋼殼內外鍍層可以不等厚，滿足防腐要求，同時利于控制成本。 （2）材料表面符合沖壓二次電池的性能要求。 （3）具有較高的強度和剛度，能更好地保護電池內部的結構。 （4）與不銹鋼外殼相比，生產成本低。 （5）具有卓越的拉伸性能，鍍鎳層在拉伸過程中不脫落。 （6）鍍鎳鋼帶采用特殊熱處理擴散工藝，使鎳層與基帶之間形成鎳鐵擴散層，保證了鍍鎳的致密性、附著力和同步延伸性。 （7）鋼殼一致性好，尺寸精度高。 鋰離子電池鋼殼材料也存在以下一些缺點。 （1）拉絲。在鋼殼上呈現一條或多條貫穿整個鋼殼的肉眼可見的線狀缺陷。 （2）擦傷。在鋰離子電池鋼殼上呈現“U”形不開口狀，這種擦傷缺陷由電池鋼帶表面擦傷引起，能在對應的鋼帶表面找到擦傷痕跡。按照程度區分可分為淺度擦傷和深度劃傷。其中，深度劃傷有時會導致電池殼開裂，而這種缺陷往往會被判為砂眼缺陷。 （3）點狀凹坑。在鋼殼上呈現不規則狀點狀凹坑，往往被誤判為砂眼缺陷。 電池鋼殼是一種專用于電池內鋼殼沖壓的冷軋產品，是一種典型的沖壓用材料。電池鋼殼對材質性能、內質、厚度精度及表面等方面具有嚴苛的要求。同時，個性化極強，主要體現在以下幾方面。 （1）對單個鋼殼而言，表面質量要求很高，“砂眼”“拉絲”等缺陷都是不可接受的。 （2
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