锂离子电池失效机理——物理力学理论分析

本书分为三个部分。第一部分为基础理论（1～4章）。主要介绍锂离子电池及材料力学的基础知识，包括锂离子电池的结构、工作原理和失效行为，以及弹塑性理论基础、破坏力学基础和基于小变形及大变形的力-化耦合基本理论。第二部分为失效机理（5～7章）。主要介绍高容量电极材料的力学失效机理，包括应变梯度塑性理论下电极材料的损伤和断裂机理，以及辐射环境下高容量电极材料的失效机理等内容。第三部分为锂离子电池热管理（8～12章）。主要介绍柱式和方形锂离子电池器件在力-热-电-化多场耦合条件下的物理场，包括温度场、应力场、应变场等方面，特别是对锂离子电池器件在极寒和高温条件下的力学行为进行了系统阐述，并针对锂离子电池单体电池和电堆散热性能进行结构优化设计。

第1章绪论1
1.1锂离子电池工作原理及结构1
1.1.1锂离子电池结构与原理1
1.1.2电解液2
1.1.3隔膜2
1.1.4锂离子电池正极材料2
1.1.5锂离子电池负极材料3
1.1.6锂离子电池钢壳材料5
1.2锂离子电池关键材料与器件的失效行为6
1.2.1锂离子电池器件的宏观性能退化6
1.2.2锂离子电池关键材料的失效行为10
1.2.3锂离子电池关键材料力学失效与器件失效的关联13
1.3锂离子电池关键材料与器件失效给固体力学提出的巨大挑战15
参考文献17
第2章弹塑性力学基础23
2.1预备知识23
2.1.1弹塑性力学的研究对象和任务23
2.1.2弹塑性力学的基本假设24
2.1.3弹性与塑性24
2.1.4张量概念和求和约定26
2.2应力29
2.2.1外力和应力29
2.2.2平衡方程和应力边界条件33
2.2.3主应力和主方向38
2.2.4球形应力张量和应力偏量张量39
2.3应变40
2.3.1变形和应变40
2.3.2主应变和主方向46
2.4应力应变关系48
2.4.1各向同性弹性体的胡克定律48
2.4.2弹性应变能函数52
2.4.3屈服函数和屈服曲面55
2.4.4两个常用屈服准则59
2.4.5增量理论63
2.4.6全量理论66
参考文献67
第3章宏微观破坏力学基础68
3.1宏观破坏力学分析68
3.1.1裂纹的分类及裂纹很好附近的弹性应力场70
3.1.2应力强度因子74
3.1.3小范围屈服下的塑性修正75
3.1.4断裂判据和断裂韧性82
3.1.5弹塑性断裂力学88
3.2微观破坏力学分析91
3.2.1损伤的基本概念及损伤的分类92
3.2.2一维蠕变损伤94
3.2.3各向同性损伤97
3.2.4各向异性损伤100
3.2.5损伤与断裂的交互作用103
3.2.6纳观断裂力学104
参考文献106
第4章锂离子电池电极材料力化耦合基本理论108
4.1基于小变形弹性的力化耦合理论108
4.1.1扩散方程108
4.1.2电极材料的弹性应力应变关系109
4.1.3耦合机理109
4.1.4球（壳）的应力演化109
4.2基于小变形弹塑性的力化耦合理论111
4.2.1化学反应和流动的非平衡过程111
4.2.2非弹性变形113
4.2.3泰勒展开113
4.2.4线性动力学模型114
4.2.5不考虑屈服强度的非线性率相关动力学模型116
4.2.6考虑屈服强度的率无关动力学模型118
4.3基于大变形弹塑性的力化耦合理论121
4.3.1锂化和变形耦合的非平衡热力学121
4.3.2球形电极颗粒的理论分析124
4.4基于应力化学势的大变形弹塑性力化耦合理论127
4.4.1有限变形运动学和动力学127
4.4.2变形分解128
4.4.3内能与化学势128
4.4.4球形硅颗粒应用示例130
参考文献133
第5章锂离子电池高比容量电极材料的失效机理图135
5.1不同结构电极材料的失效预测135
5.1.1薄膜电极材料失效破坏理论模型135
5.1.2实心活性材料失效破坏理论模型137
5.1.3空心活性材料失效破坏理论模型140
5.1.4临界尺寸的实验验证143
5.2不同结构电极材料的应力场144
5.2.1薄膜结构电极材料的锂化变形及应力演化144
5.2.2球结构电极材料的锂化变形及应力演化145
5.3锂离子电池电极材料的失效机理图151
5.3.1薄膜电极材料的锂化破坏151
5.3.2空心核壳结构电极材料的锂化破坏156
5.3.3实验验证160
参考文献162
第6章基于应变梯度塑性理论的锂离子电池电极材料失效机理研究164
6.1应变梯度塑性理论164
6.1.1锂化相变位错现象164
6.1.2微米量级下的尺度效应166
6.1.3应变梯度塑性理论的发展167
6.2高容量电极材料的结构模型及理论模型168
6.2.1高容量电极材料的结构模型168
6.2.2高容量电极材料的锂化扩散控制方程169
6.2.3考虑扩散和应变梯度塑性理论的弹塑性变形170
6.2.4高容量电极材料锂化变形的有限元分析174
6.3高容量电极材料的锂化变形及应力分析176
6.3.1vonMises应力演变及塑性屈服分析177
6.3.2垂直应力演变及关键位置的应力分析179
6.3.3水平应力演变及关键位置的应力分析181
6.4高容量电极材料的锂化损伤及破坏分析184
6.4.1高容量电极材料损伤机理184
6.4.2锂化界面损伤及剥离分析186
6.4.3锂化上表面损伤及断裂分析191
参考文献195
第7章辐射环境下锂离子电池电极材料的失效预测200
7.1高容量电极材料两相锂化解析模型200
7.1.1高容量电极颗粒的两相锂化浓度分布函数200
7.1.2高容量电极颗粒的应力解析模型201
7.1.3高容量电极颗粒两相锂化的临界破坏状态206
7.1.4物理场分析206
7.2辐射电化学耦合塑性模型210
7.2.1辐射条件下离子扩散动力学理论210
7.2.2辐射效应的影响规律215
7.3基于辐射的两相锂化微观机理221
7.3.1基于辐射电化学耦合的屈服函数221
7.3.2基于辐射的两相锂化弹塑性模型223
7.3.3结果分析229
7.4基于辐射电化学耦合的模拟与实验表征235
7.4.1几何模型235
7.4.2有限元模型237
7.4.3有限元计算结果分析237
7.4.4中子辐照对锂离子电池电化学性能的影响241
参考文献244
第8章锂离子电池热力化多场耦合模型250
8.1锂离子电池电化学模型250
8.1.1电荷守恒方程252
8.1.2质量守恒方程253
8.1.3电极动力学253
8.2锂离子电池热模型254
8.2.1二维热模型255
8.2.2三维热模型255
8.3锂离子电池应力模型256
8.4锂离子电池电化学热耦合模型257
8.5锂离子电池电化学力耦合模型258
8.6锂离子电池热力化耦合模型259
参考文献260
第9章锂离子电池电极材料多场耦合条件下的物理场264
9.1锂离子电池化热耦合条件下的温度场264
9.1.1对流换热系数对电极材料温度场的影响265
9.1.2表面热辐射率对电极材料温度场的影响267
9.2锂离子电池电极材料化力耦合条件下的多场分析268
9.2.1空心核壳结构负极材料化力耦合条件下的浓度场和应力场分析268
9.2.2薄膜结构负极材料化力耦合条件下的浓度场和应力场分析272
9.3锂离子电池电极材料热力化耦合条件下的浓度场和应力场275
9.3.1空心核壳结构正极材料热力化耦合条件下的浓度场和应力场分析276
9.3.2两球形正极颗粒相接触下热力化耦合作用的浓度场和应力场分析283
9.3.3二维螺旋卷绕锂离子电池热力化耦合条件下的物理场285
参考文献296
第10章锂离子电池高低温条件下的电化学性能299
10.1锂离子电池不同温度下放电行为存在的问题300
10.2常温下LiMn2O4锂离子电池放电过程的电化学热研究301
10.2.1模型验证303
10.2.2锂离子电池放电过程中的电化学研究303
10.2.3锂离子电池放电过程中的热效应307
10.3低温下LiMn2O4锂离子电池放电过程的电化学热研究311
10.3.1模型的有效性分析311
10.3.2低温下锂离子电池放电过程的电化学研究312
10.3.3低温下锂离子电池放电过程的热研究314
10.3.4低温下锂离子电池的优化设计318
10.4高温下LiMn2O4锂离子电池放电过程的电化学热研究324
10.4.1高温下LiMn2O4锂离子电池的电化学性能324
10.4.2高温下LiMn2O4锂离子电池的热行为325
10.4.3高温下LiMn2O4锂离子电池的热力学参数325
参考文献328
第11章相变材料在锂离子电池热管理中的应用332
11.1电池热管理系统概述332
11.2相变材料（PCM）在电池热管理系统中的应用334
11.3相变材料对单体电池温度分布的影响337
11.3.1基于二维热模型的单体电池热管理系统337
11.3.2基于三维热模型的单体电池热管理系统342
11.4相变材料对锂离子电池组温度分布的影响352
11.4.1相变材料对电池组温度的控制352
11.4.2相变材料厚度对电池组温度的影响353
11.4.3不同因素对电池组停止充放电后散热效果的影响355
11.4.4基于相变材料的耦合热管理系统358
参考文献360
第12章锂离子电池热管理系统与结构设计364
12.1基于风冷散热的电池组热管理365
12.1.1二维方形电池组风冷系统散热模型365
12.1.2二维风冷模型散热效果367
12.1.3二维风冷模型结构优化370
12.2基于液冷散热的电池组热管理373
12.2.1单体液冷电池的建模与分析374
12.2.2液冷管电池组模型379
12.3基于相变材料散热的电池组结构设计386
12.3.1电池组热管理模型386
12.3.2不同结构散热性能分析388
12.4基于液冷相变耦合散热的电池组结构设计391
12.4.1液冷相变材料耦合散热的电池组结构设计391
12.4.2复合板结构的改进393
参考文献402