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锂离子电池活性材料是决定锂离子电池性能与寿命的核心材料。目前商业化应用的锂离子电池的活性材料是LiCOO2(正极)和石墨(负极),它们的嵌锂容量都相对较低,已经不能满足人们对锂离子电池能量密度高、寿命长的需求,寻求性能更为优异的新型活性材料已经迫在眉睫。然而容量高的活性材料(例如Si,Sn,Al,Li FePO4)又存在一个共同的科学问题—体积变形大,即在锂化和退锂化过程中的巨大体积变化(膨胀和收缩)会使材料产生内应力,反复循环会造成损伤效应的累积,进而降低循环性能,最终导致电极材料失效。为了解决上述问题,本论文根据活性材料失效破坏的微观机理,从材料尺寸、嵌锂状态与产生裂纹破坏的关系出发,采用理论建模和实验验证相结合的研究方法,建立了一系列不同结构的活性材料理论模型,找到了活性材料破坏的临界尺寸并得以实验验证。本论文主要的研究内容和创新点如下:1.建立了薄膜材料失效破坏理论模型,以Si和Sn材料为研究对象,得到了Si薄膜在嵌锂满态的临界破坏尺寸为33 nm,Sn薄膜在嵌锂满态的临界破坏尺寸为15μm,且得到了薄膜尺寸与嵌锂状态的临界破坏曲线,建立了薄膜活性材料在不同嵌锂状态下的失效机制图。2.建立了实心材料失效破坏理论模型,包括纳米线模型和实心球模型,引入Si的材料参数,得到了Si纳米线在嵌锂满态的临界破坏尺寸为70 nm,Si实心球在嵌锂满态的临界破坏半径尺寸为90 nm,进而也得到了纳米线/实心球在不同嵌锂状态和材料尺寸条件下的临界破坏曲线。3.建立了空心材料充分利用理论模型,包括空心管模型和空心球模型,以Si和Sn材料为研究对象,得到了硅空心管和硅空心球达到充分利用的尺寸之比(D/h)分别为0.15和0.10,锡空心管和锡空心球达到充分利用的尺寸之比(D/h)分别为0.18和0.12。最终得到了空心管尺寸/空心球粒径与嵌锂状态的充分利用临界曲线,建立了空心材料在不同嵌锂状态下的充分利用分布图。4.通过镀锡薄膜实验验证了Sn薄膜在充满态的临界破坏尺寸为10μm。采用电镀法,控制电镀时间,在铜基底上电镀生长出不同厚度的Sn薄膜(10μm、18μm、26μm、35μm),通过控制充电时达到不同嵌锂状态来控制其SOC,观察得到10μm厚的锡薄膜在SOC=1时破坏,18μm、26μm厚的锡薄膜分别在SOC=0.72、SOC=0.5时破坏,35μm则在SOC=0.36时就破坏,这与理论临界曲线基本吻合。