PDF《2019 年度湖南省科学技术奖推荐公示内容》

2019 年度湖南省科学技术奖推荐公示内容 自然科学奖 项目名称:锂电池电极材料的失效机理与结构设计 推荐单位意见: 锂电池已广泛应用于笔记本电脑、电动汽车、无人机等设备上.

高容量锂 电池电极材料在充放电过程中会发生非常大的体积变形,从而出现表界面裂纹, 甚至剥落、粉化等失效行为,这直接造成了锂电池电化学性能的衰退.针对此 关键科学问题,项目团队从化学、力学与物理学等学科交叉的角度出发,立足 化学键的物理力学基础,借助宏观断裂力学的理论框架,成功建立了锂电池电 极材料的失效机制图,实现了对电极材料及其锂电池器件结构的性能调控. 基于锂电池服役的多场复杂环境,搭建了锂电池电极材料热-力-电-化多场 耦合理论体系,构筑了电极材料在充放电状态下的失效机制图.在此基础之上, 通过对锂电池电极材料的优化设计,找到解决失效问题的有效方法,为高性能 锂电池关键电极材料的研发和工业化应用提供研究基础. 国家自然科学基金杰出青年基金项目

2 项、面上项目

2 项,湖南省科技重 大专项

1 项等项目的支持;

荣获教育部霍英东教育基金会高等院校青年教师奖 和全国优秀博士学位论文提名奖等奖项;

在Advanced Materials、International Journal of Solids and Structures、Acta Materialia、Energy &

Environmental Science 等国际著名刊物 SCI 他引

318 次,授权国家发明专利

2 项. 我单位认真审阅了该项目推荐书及附件材料,确认全部材料真实有效.相 关栏目均符合填写要求,推荐该项目为湖南省自然科学奖二等奖. 项目简介: 锂电池具有高电压、高能量密度、自放电小、循环寿命长、无污染和无记 忆效应等优点,已广泛应用于移动通信、笔记本电脑、小型摄像机、无人机、 电动汽车等.对锂电池高容量(跑得远)、大倍率(加速快)、长循环(寿命长)等性 能的需求不断提升,高容量锂电池电极材料得到飞速发展,但是这类材料在充 放电过程中会发生巨大的体积变形,从而出现表界面裂纹,甚至剥落、粉化等 失效行为,这直接造成了锂电池电化学性能的衰退.针对此关键科学问题,我 们认为高性能锂电池面临的挑战并不是一个单纯的化学问题,而是一个化学(容量、倍率等)、电学(电流、电压等)、力学(粉化、剥落等)与物理学(离子和电 子输运等)交叉的科学问题.本项目立足化学键的物理力学基础,借助宏观断裂 力学的理论框架,成功建立了锂电池电极材料的失效机制图,实现了对电极材 料及其锂电池器件结构的性能调控. 主要研究内容:基于锂电池服役的多场耦合复杂环境,搭建了锂电池电极 材料热-力-电-化多场耦合理论体系,厘清了锂离子扩散诱导电极材料失效的物 理机制,构筑了电极材料在充放电状态下的失效机制图.在此基础之上,通过 对锂电池电极材料的优化设计,找到缓解失效问题和提升电化学性能的有效方 法,为高性能锂电池关键电极材料的研发和工业化应用提供研究基础. 科学发现点: (1) 突破了传统单轴拉伸法获取材料应力应变关系的传统思维 方式,创造性提出了利用压痕法表征锂电池电极材料充放电过程中应力应变关 系的理论方法,厘清了锂电池电极材料在多场耦合作用下失效机理不明及关键 物理力学参量亟需的问题,揭示了锂电池电极材料多场耦合行为的失效物理机 理,进而建立了其物理力学性能的尺寸、温度及静水压力效应之间的量化关系. (2) 突破了传统单一物理力学性能参数对材料失效模式的影响因素, 创造性提出 了电极材料临界破坏充放电状态(SOC)与其结构尺寸、 基本力学性能之间的无量 纲函数关系,构建了锂化失效破坏机制图.在锂化相变模型的基础上,基于能 量破坏准则,建立了锂电池电极材料薄膜结构和空心核壳结构电极材料的表面 断裂与界面剥离失效理论模型,为判断高容量电极材料在锂化过程中的安全性 提供了重要的理论依据.(3) 突破了传统化学 试错 掺杂与 翻炒 元素周期 表的盲目探索方式,创造性提出了通过物理力学性能参数和失效破坏机制图对 电极材料进行优化设计的思维模式,通过构造中空、核壳以及复合电极材料, 成功调控了电极材料的微结构,提高了锂电池的电化学循环性能,为高性能锂 电池关键电极材料的研发提供理论和技术指导. 同行引用及评价:获国家自然科学基金杰出青年基金项目