ES240项目:锂离子电池非晶硅薄膜阳极插层应力有限元模拟

目前正在深入研究开发具有更高容量的可充电锂离子电池，用于便携式电子设备，电动汽车等。硅一直是极具吸引力的负极材料，因为它具有最高的理论容量，即4000 mAh/g，比现有的碳质石墨负极材料高10倍。然而，硅基负极材料在当前锂离子电池中的应用是有限的，因为大多数硅基负极在前几次充放电循环中就会出现容量衰减。实验表明，在锂离子注入和萃取过程中，体积膨胀300%~400%会导致硅块的破裂和粉碎，从而导致容量失效。在硅基阳极材料商业化应用之前，必须克服这一关键障碍。在许多实验中，硅基薄膜在金属衬底上的沉积表现出较好的容量保持性，被认为是一种很有前途的技术。然而，薄膜也会因结晶薄膜而破裂，最终因非晶薄膜而分层，导致阳极失效。迄今为止，人们对薄膜的破坏机理还不是很清楚。为了更好地了解硅基薄膜的破坏模式和相应的破坏机制，本项目将对沉积在铜衬底上的非晶硅进行研究，以识别插层引起的内应力。采用ABAQUS软件进行数值模拟。

这个项目有三个雄心勃勃的主要目标，

1):估算锂离子插拔引起的内应力

2):识别非晶薄膜的失效模式和失效机理

3):学习有限元法和ABAQUS

数值模拟主要包括两种模型:具有浓度梯度的固体应力-应变模型和扩散偏微分方程，即

式中c为扩散物质的浓度变化，Ω为溶质的偏摩尔体积，J为物质通量。利用这两种关系，可以得到数值计算的内应力分布。

参考:

[1]:刘建军，李建军，李建军。j . Electrochem。Soc。生物医学工程学报，150(11)，a1457-a1464(2003)。

[2]:张向春，施伟，Ann Marie Sastry。j . Electrochem。Soc。， 154(10)， a910-a916(2007)。