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第17期:力学-电化学(MEC)论文摘要精选

力学电化学耦合2018-06-22 04:47:15

1. Stress evolutionin elastic-plastic electrodes during electrochemical processes: A numerical  method and its applications

弹塑性电极材料充放电过程中的应力演化:数值方法及应用

翻译:杨乐

中国科学院力学所魏宇杰课题组对电池充放电过程中,力化耦合条件下,大变形弹塑性电极的应力演化进行了系统性研究,并与基于Stoney公式的理论和实验结果进行了对比。对电池而言,在充放电过程中监测高容量电极内部的应力变化是非常重要的,目前在薄膜领域中主要利用薄膜的曲率测量技术,进而通过Stoney公式来计算薄膜内部的应力,此方法已经成功的应用到薄膜电极当中。然而由于大多数电极在反应过程中有塑性变形以及界面分层等现象,目前Stoney公式的适用性仍有待研究。本文主要开发了一种电化学/力学耦合数值模拟方法,研究了在塑性大变形情况下的薄膜内应力变化,以及模拟了其界面的破坏,并与实验及理论结果进行了对比分析。

      

图1. (a) 电极材料的屈服极限随嵌锂量变化; (b) 薄膜内应力实验与数值模拟结果对比; (c) 不同屈服应力条件下的应力演化曲线; (d) 薄膜内的平均双轴应力演化.

J. Wen, Y. Wei, Y.–T. Cheng. Stress evolution inelastic-plastic electrodes during electrochemical processes: A numerical method and its applications. J. Mech. Phys.Solids, 2018, 116, 403-415. DOI:10.1016/j.jmps.2018.04.006

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0022509617311493



2. A computationally efficient Li-ion electrochemical battery model for long-term analysis of stand-alone renewable energy systems

一种对于长期分析独立可再生能源系统的高效率锂离子电池计算模型

翻译:吴宜琨

西班牙萨拉戈萨大学Dufo-López等人通过锂离子电池一般数学公式提出了一个简化单颗粒模型。该模型通过不同商业化的石墨/磷酸铁锂电池验证,结果表明,在低于1C的低电流充放电时与更复杂的模型以及实验数据吻合良好。在充放电曲线的稳定区域可以观察到的最大相对误差小于2%,可以被用来评估电池电压。因此,该模型适用于电池电流通常小于C/10的独立可再生能源系统。通过增加电流,该简化单颗粒模型与更复杂模型以及实验数据对应的就会出现一定偏差。然而,它在离网可再生能源系统的模拟和优化框架中具有足够的精确度和计算的高效性。最后,该模型被用于两种不同的算例以便预测电池状态随时间的变化;其中一个是安装后的PV电池,另一个是位于西班牙萨拉戈拉附近的风力电池系统。


图2. (A) 单颗粒模拟中磷酸铁锂锂电池原理图; (B) 风力电池系统连续三天(1月15-17日)的模拟过程, (a) 风力发电机组, 空载消耗和电池荷电状态, (b) 电池电流和电压; (C) PV电池在夏天(6月1-3日)和冬天(12月25-27日)的模拟, (a)(c) 光伏发电, 空载消耗和电池荷电状态, (b)(d) 电池电流和电压.

M. Astaneh, R. Dufo-López, R. Roshandel, F. Golzar, J. L.Bernal-Agustín. A computationally efficient Li-ion electrochemical battery model for long-term analysis of stand-alone renewable energy systems. J.Energy Storage, 2018, 17, 93-101.DOI: 10.1016/j.est.2018.02.015

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2352152X17305017


3. Direct observation of internal state of thermal runaway in lithium ion battery during nail-penetration test

在针刺试验中对锂离子电池内部热逃逸状态的直接观测

翻译:陈 健

在锂离子电池的安全测试中开发的一种使用高速,高精X射线检查系统来测试内部短路的系统。在叠片的锂离子电池结构中得到了正极和负极的X射线图像。选择针刺实验测试电池内部短路。这个系统可以在电池外直接观察到烟雾的产生,封装的膨胀,以电极层片结构的改变。传统的穿刺测试的结果只能通过烟雾产生、起火或爆炸反映,这个新的系统允许电极变化第一次被观察到。在针刺测试中,通过这个系统我们能够直接清晰地观察刺针尖端的变化,电解质的沸腾,气体的生成,电极的变化,层间距离的变化,一个孔洞的形成以及一些其他细节。希望能在锂离子电池的安全方面取得重大进展。



图3. 针刺实验系统原理图,以及叠片锂离子电池X射线图像.

T. Yokoshima, D. Mukoyama, F. Maeda, T. Osaka, K. Takazawa, S. Egusa, S. Naoi, S. Ishikura, K. Yamamoto. Direct observation of internal state of thermal runaway inlithium ion battery during nail-penetration test. J. Power Sources, 2018, 393,67-74. DOI: 10.1016/j.jpowsour.2018.04.092

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0378775318304415


4. Investigation of the heat generation of acommercial 2032 (LiCoO2) coin cell with a novel differential scanning battery calorimeter

用新型差分扫描电池量热仪研究商用2032(LiCoO2)纽扣电池的发热信息

翻译:韩金栋

对锂离子电池热行为的研究有助于理解电池热效应和改进电池热管理系统(TMS)的设计。本文首次全面研究了一种类似DSC(差示扫描量热法)、用于纽扣电池的新型量热仪,以研究确定LiCoO2-石墨电池的热性能。通过在制备的纽扣电池壳中使用熔点标准校准信号来获得高的测量精度和准确度。等温条件下,在30°C和50°C的温度区间,以5K的步长测量在0.23°C和0.9°C之间以不同倍率循环的热流量。在测量的热流量中识别出化学和物理变化信号,并且在考虑相图信息的情况下进行讨论。通过对测量的电功率和热量值进行积分,可以根据温度和倍率计算能量效率。显示了电池老化对充放电条件下的发热量和可用容量的影响。在不同倍率下、宽温度范围内测得的热量将对理解材料特性做出巨大的的贡献,这一基本数据对于改进热模型以模拟电极中的空间分辨散热从而防止电池过热是至关重要的。

图4. (a) 多模式量热仪的高温纽扣电池模块; (b) 使用GCPL在35°C和10 mA下测量的LiCoO2-C纽扣电池的热流,电池电压和电流曲线.

H. Giel,D. Henriques, G. Bourne, T. Markus.Investigation of the heat generation of a commercial 2032 (LiCoO22) coin cell with a novel differential scanning battery calorimeter. J. Power Sources., 2018, 390, 116-126. DOI:10.1016/j.jpowsour.2018.04.017.

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0378775318303604

5. Rechargeable lithium-ion cell state ofcharge and defect detection by in-situ inside-out magnetic resonance imaging

通过原位核磁共振成像技术对可充电锂电池荷电状态和缺陷的检测

翻译人:梁智博

可充电锂离子电池为什么会出现性能衰减?以及什么时候开始出现性能衰减?这是很难回答的问题。这是所有电子产品、电动汽车和电子储能元件能够进行突破性进步所面临的核心问题,这个问题不能被解决主要源于我们不能通过一个不破坏掉电池的方法获得并分析电池内部的信息。而且,目前电动汽车电池的荷电状态是靠等效电路模型以及各种算法进行模拟和预测,并不能直接获取电池的荷电状态。这篇文章通过对锂离子电池中微小感应磁场变化的测量来评测电极材料中锂的嵌入量,并能无损的检测出在电池组装过程中可能造成的电池缺陷。这种手段测量速度非常快,它可以在电池工作的过程中进行检测,最重要的是,这种检测手段对电池是无损的,这和许多商业电池的设计使用需求是兼容的。

图5. (a) 电池放电和充电过程中电池一系列磁场变化图, 电池在每一步中的剩余容量在图中被标出; (b) 没有缺陷电池和具有折叠极片, 缺失极片, 多余极片缺陷电池的磁场对比图.

A. J. Ilott, M.Mohammadi, C. M. Schauerman, M. J. Ganter, A. Jerschow. Rechargeable lithium-ion cell state of charge and defect detection by in-situ inside-out magnetic resonance imaging. Nat. Commun., 2018, 9, 1776. DOI: 10.1038/s41467-018-04192

https://www.nature.com/articles/s41467-018-04192-x


6. In-situ observations of lithium dendrite growth

    原位观察锂枝晶生长

翻译:李伟

锂电池失效的一个根本原因是锂枝晶的形成。树突极易导致电池内部短路,最终导致热失控,甚至爆炸。本文提出了一种原位观察方法,由光学透明的锂电池单元组成,观察树突生长,同时监测细胞在不同电流密度下的电特性。通过这种方法得到实验结果:随着电流密度的增加,树突的平均生长速率增加;当电流密度增加到87mA/cm2时,生长过程中的枝晶形态由扁平苔藓变为针尖状;树突状结构的初始形成改变了电极的几何形状,提高了尖端附近的电场强度,使该区域成为后续充电过程中的一个优先增长点。


图6. (a) 电流密度87mA/cm2的光学图像锂枝演化; (b) 相应的电压和电流分布.

L. Kong, Y. Xing, M.G. Pecht. Observations of lithium dendrite growth. IEEE Access, 2018, 6,8387-8393. DOI: 10.1109/ACCESS.2018.2805281

https://ieeexplore.ieee.org/abstract/document/8299555/


7. The biomimetic design and 3D printing of customized mechanical properties porous Ti6Al4V scaffoldfor load-bearing bone reconstruction

基于仿生设计和3D打印的力学性能调控的多孔Ti6Al4V支架的承载骨架重建

翻译:王潘丁

Ti6Al4V是一种在矫形外科广泛应用的合金。它因为其优异的力学性能,经常作为具有重要的生物作用的承载骨架的替代品。因此,这种力学性能可调控的多孔骨架的设计和安装具有重要的研究意义。在本文中,有限元和3D打印技术研究了多孔植入物的仿生设计和制造,建立了具有金刚石晶格孔隙结构的新型的多孔结构。通过有限元的分析,在压缩载荷下,结构的薄弱点通过计算和优化,提高了整体结构的力学性能。激光选择熔融工艺制备了不同孔隙率和力学性能的多孔植入物,原位实验研究了植入物的生物相容性和修复效果,新生成的骨骼嵌入并安装在设计的多孔植入物中,有效的重建了已经破碎的骨头。通过优化设计和精确制造的植入物有利于骨组织的修复和重建。


图7. (a) 多孔钛支架优化和制造的技术路线; (b) 3D打印模型和设计图纸的误差分析; (c) 有限元计算结果; (d)支架植入体内后CT重建图.

B. Zhang, X. Pei, C. Zhou, Y. Fan, Q. Jiang, A. Ronca, U. D'Amora, Y. Chen, H. Li, Y. Sun, X. Zhang.The biomimetic design and 3D printing of customized mechanical propertiesporous Ti6Al4V scaffold for load-bearing bonereconstruction. Mater. Des., 2018, 152, 30-39. DOI:10.1016/j.matdes.2018.04.065

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0264127518303496

 

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