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基于半解析法的固态电池粘弹性接触力学方法与界面力-电化学耦合机理研究

批准号:
12102085
项目类别:
青年科学基金项目(C类)
资助金额:
30.0 万元
负责人:
张鑫
依托单位:
学科分类:
接触、摩擦与表界面力学
结题年份:
2024
批准年份:
2021
项目状态:
已结题
项目参与者:
张鑫

项目摘要

结项摘要

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中文摘要
固态锂金属电池是兼顾电池安全性和能量需求的可行途径之一。但由于缺少有机溶液的浸润以及固体表面不可避免的粗糙度,锂金属与固态电解质界面的接触力学问题尤为突出,造成界面阻抗过大,致使界面电流集中现象,加剧锂枝晶的生长并穿透固体电解质造成电池短路。本项目将着眼于固态电池中锂金属电极与聚合物-陶瓷电解质界面,(1)构建基于半解析法和连续卷积-快速傅里叶变换技术的粘弹性接触力学数值模型,(2)提出基于多物理场接触建模研究力-电化学耦合规律的新方法,(3)发展结合力学和电化学耦合规律的界面稳定性设计思路,探索锂电池界面接触力学-电化学耦合作用机理。期望在粗糙表面粘弹性接触力学方法、锂电池层状结构接触力学模型等方面获得原创性成果,为提高固态电池使用稳定性和安全性提供理论支持和技术指南。
英文摘要
Solid-state lithium metal battery is one of the feasible ways to meet the safety and energy demand of batteries. However, due to the lack of infiltration of organic solution and the inevitable roughness of solid surface, the poor contact problem between lithium metal and solid electrolyte is particularly prominent, resulting in a too larger interface impedance, and an interface current concentration phenomenon, aggravating the growth of lithium dendrite and penetrating the solid electrolyte, and further resulting in short circuit. This project will focus on the interface of the Li anode and polymer-ceramics electrolyte, (1) propose a viscoelastic contact mechanics model based on the semi-analytical method and the continuous convolution-fast Fourier transform, (2) a multi-physical field based method to study the mechanical-electrochemical coupling behavior, and (3) a design method combining mechanical, mechanical and electrochemical coupling law to improve the interface stability of solid-state battery, to explore the interfacial mechanism in the aspects of lithium battery interface contact stability. We hope to obtain original results in the viscoelastic contact mechanics algorithms considering rough surfaces and the contact mechanics model of layered structures of lithium batteries, to provide theoretical support and technical guidance for the battery stability and safety of use.
本项目以锂金属|聚合物-陶瓷层状电解质电池为研究对象,发展了基于半解析法的动态接触力学高效数值分析方法,探究了接触力学-电化学锂沉积/脱出耦合下界面轮廓演化规律,提出了锂金属-固态电解质界面稳定性设计方法,探索了锂电池界面作用机理。开展的主要研究内容包括如下三个方面:.① 建立了基于半解析法的锂电池动态接触力学数值模型。② 建立了接触力学-电化学锂沉积/脱出耦合下的界面轮廓演化框架。③ 提出了基于装配力调控的锂金属-固态电解质界面稳定性设计方法.基于建立的界面模型,研究了不同装配压力下的接触面积变化、蠕变特性、聚合物粘弹性响应。同时,研究了装配压力对锂沉积/脱出演化规律以及界面阻抗的影响关系,研究了电流密度和装配压力对界面稳定性的协同作用,提出了利用装配压力减少界面阻抗的设计方案,提出电流密度-装配压力-界面稳定理论体系。.研究表明,堆积压力显著影响界面接触性能,增加堆积压力可提高接触面积,进而降低界面电阻。较厚的涂层有助于增加接触分数,但也可能增加电解质的体积电阻。因此,涂层厚度需要在优化电阻和保持良好的接触性能之间找到平衡。.本研究为下一代固态锂金属电池的界面设计提供了新的理论依据,尤其是在提高电池稳定性和循环寿命方面具有重要的应用前景。通过优化堆积压力和涂层厚度的组合,可以有效提升电池的长期稳定性。特别是在电动汽车和可再生能源存储系统中,固态锂金属电池由于其较高的能量密度和更安全的性能,展现出广泛的市场潜力。
基于半解析法的固态电池粘弹性接触力学方法与界面力-电化学耦合机理研究
  • 批准号:
    --
  • 项目类别:
    --
  • 资助金额:
    30万元
  • 批准年份:
    2021
  • 负责人:
    张鑫
  • 依托单位:
国内基金
海外基金