【摘 要】
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硅基锂离子电池以其4200 mAhg-1的高储能密度成为最具发展潜力的高能存储手段之一，引起了电池产业界以及学术研究界的高度关注。但是，一方面，大量锂离子的嵌入和脱嵌引起硅电极
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硅基锂离子电池以其4200 mAhg-1的高储能密度成为最具发展潜力的高能存储手段之一，引起了电池产业界以及学术研究界的高度关注。但是，一方面，大量锂离子的嵌入和脱嵌引起硅电极高达近400％的体积变化。电极内部极易发生碎裂出现电接触失效，电池容量及寿命也随之急剧下降。另一方面，硅电极与电解液发生反应，形成一层覆盖于电极表面的钝化层——固体电解质界面SEI。它是电极表面的锂离子通道，它的形成可以防止电极材料进一步分解，对硅基锂离子电池的性能产生致命的影响。这两者已经成为硅基锂离子电池推广中的瓶颈问题。本文围绕两个核心关键科学问题:1.硅基锂离子电池电极材料的碎裂机理及抑制;2.固体电解质界面SEI的性质与界面厚度估计，结合实验观测、理论分析及跨尺度模拟等手段对硅电极性能变化展开研究。
结合实验用扣式半电池的制备，对充分嵌锂后的硅电极，进行了扫描电镜表征，得到了硅电极颗粒在不同循环阶段的表面形貌。获得了电极裂纹的特征尺寸。采用分子动力学手段并结合第二最近邻修正的嵌入原子势，模拟得到了嵌锂变形区域内的位错发生与演化、电极相的改变及体积膨胀等特征。
针对纳米电极结构的应力演化，通过化学势，建立起一个考虑扩散、表面应力及曲率相耦合的表面弹性本构模型。引入了固体中的Tolman长度反映弯曲表面的影响。结合该模型，对两种空心纳米结构用作电极时的应力分布情况及自屈曲行为进行了分析。并提出了一个表征结构曲率影响程度的无量纲数κ。
结合跨尺度模拟，提出采用碳纳米管和铜薄膜包覆硅纳米线的结构对碎裂进行抑制。由于纳米结构强烈表面力所诱导的围压作用，使得硅纳米线变形能力得到显著提升。同时，使用碳纳米管包覆的硅纳米线强度也得到了显著的提高。
结合相场动力学有限厚度扩散界面Cahn-Hilliard模型和分子动力学模拟，对初始充放电循环中形成的SEI厚度进行了估计，得到了扩散界面锂离子浓度分布曲线。结果表明硅基锂离子电池首次充放电所形成的SEI厚度约在纳米量级。
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