冷喷涂过程中硅粒子撞击铜基板的数值模拟及实验研究

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硅因具有较低的电压平台和最高的理论比容量，将替代目前锂离子电池所采用的碳类负极材料，成为新一代高效的锂离子电池负极材料之一。但因硅在嵌锂和脱锂过程中巨大的体积膨胀效应会致使活性材料粉化甚至电极失效，是硅基锂离子电池商业化生产亟待需解决的问题。
　　本论文提出利用冷喷涂技术将负极活性材料硅粒子沉积在集电器铜箔上以制备硅基负极。作为前期研究，采用有限元数值模拟与实验验证相结合的研究方法，主要分析和探究硅在铜基板上的沉积特性及相关沉积机理。
　　首先利用有限元数值分析方法，模拟了不同粒径硅粒子、单（多）硅粒子及硅铜复合粒子在铜基板上的沉积过程，获得了沉积过程特点以及粒子与基板变形形貌。进一步通过改变粒子初始速度、基板初始温度及硅铜混合比例，探究这些因素对沉积过程的影响规律及相应沉积特性，得出了硅粒子撞击铜基板的临界沉积速度以及不同情况下粒子与基板的变形特点和所形成涂层的结构特性，发现了无机非金属硅粒子与金属粒子沉积过程的不同以及出现的不同现象。最后利用自主研发的冷喷涂试验装置，进行了在铜箔上喷涂硅粉的实验，制备出硅基负极。运用扫描电子显微镜（SEM）对不同主气流压力和温度、不同硅粒径下制备的硅涂层断面及表面形貌进行了观测，并与相关模拟结果进行了对比、验证和分析。
　　数值模拟及实验观测结果表明，低塑性硅粒子沉积于铜基板时，会形成具有一定空隙的涂层结构且涂层表面凹凸不平。通过在硅粉中添加塑性较高的金属粒子形成复合喷涂材料或进行多次喷涂可提高涂层的致密性。论文的结果不仅验证了所提出的利用冷喷涂技术制备硅基负极材料的可行性，可为硅基负电极提供了一种新的制备方法，而且制备的硅涂层具有一定的空隙为锂化过程的体积膨胀提供一定缓冲空间从而消弱体积膨胀效应。

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作者
杨攀;
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作者单位

重庆大学;

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授予单位重庆大学;
学科动力工程
授予学位硕士
导师姓名刘娟芳;
年度 2015
页码
总页数
原文格式 PDF
正文语种中文
中图分类各种材料蓄电池;金属表面防护技术;
关键词
冷喷涂技术; 锂离子电池; 负极活性材料; 硅粒子; 数值模拟; 沉积特性; 限元分析;
入库时间 2022-08-17 10:22:27

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