[发明专利]一种电化学和基底效应共同作用下电极材料硬度的表征方法

摘要

本发明公开了一种电化学和基底效应共同作用下电极材料硬度的表征方法；该方法首先对锂离子电池电极材料进行充放电测试，得到不同充放电状态下的电极材料，然后通过压痕仪对电极材料进行压痕实验，得到压痕载荷位移曲线，从而提取到某充放电状态下电极材料与基底的复合硬度，最后将其代入到建立的硬度与压痕尺寸的解析理论模型，即可得到电极材料的硬度；利用该方法得到的解析理论模型能够成功提取锂离子电池电极材料在不同充放电状态下的硬度，非常方便、快捷，利于大规模工程应用。

主权项

一种电化学和基底效应共同作用下电极材料硬度的表征方法，其特征在于：包括以下步骤：(1)利用Fick定律，综合考虑边界条件和初始条件，通过求解扩散方程，得出电极材料不同位置和不同时刻状态下的锂离子浓度分布；(2)通过t时刻的浓度分布，对各位置进行积分，即得到电极材料在该状态下的电量SOC；(3)基于充放电过程中，电极材料会发生体积变形从而导致大量位错，即定义为电化学诱导位错EID，电化学诱导位错的平均密度其中，ρ′e为某时刻的电化学诱导位错密度分布，h为压痕深度，V为压入体积，r为压痕接触半径；(4)基于位错理论，压痕过程中，影响硬度的总位错其中，ρs为电极材料本身统计存储位错，与电化学过程无关，α、μ和b分别为材料经验常数、剪切模量和Burgers矢量；(5)根据平均应力和硬度的关系σ＝Mτ，H＝3σ，其中，M为Taylor取向因子，得到电极材料硬度HF与SOC之间的定量解析关系：其中，为电化学因子，θ为半锥角，C0为最大锂离子浓度，L0为二维薄膜电极材料理化前的厚度，φ是锂离子嵌入导致的化学键收缩系数；H0代表不考虑电化学位错时的本征硬度；电量控制因子相对压痕深度β＝h/L，η为体积膨胀系数，L为t时刻的二维薄膜电极材料厚度；薄膜电极材料的本征硬度以充电满态为参考，即SOC＝1；(6)将(5)解析关系引入基底效应，通过测试电极材料与基底的复合硬度，即得到电极材料的硬度。