CN108490005A - 锂离子电池纤维素隔膜多尺度结构模型的优化方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种锂离子电池纤维素隔膜多尺度结构模型的优化方法，包括如下步骤：S11、在微观尺度下，根据微纤丝和基质的原始占比以及微纤丝的原始角度，建立由基质包裹微纤丝的薄壁圆筒有限元模型，通过有限元仿真模拟得到模型的弹性模量E1；S12、运用原子力显微镜并采用纳米压痕实验方法测得单根纤维的力位移曲线，经数据处理后得到单根纤维的实际弹性模量E2；S13、对模型弹性模量E1和实际弹性模量E2进行对比分析，如果则提高有限元模型中所述微纤丝的占比或减小微纤丝的角度；如果则提高有限元模型中所述基质的占比或增大微纤丝的角度；如果则无需对有限元模型进行优化。本发明建立并优化纤维素隔膜结构模型，提高模型准确度。

Description

锂离子电池纤维素隔膜多尺度结构模型的优化方法
技术领域
本发明涉及锂离子电池纤维素隔膜技术，特别涉及一种锂离子电池纤维素隔膜多尺度结构模型的优化方法。
背景技术
锂离子电池具有能量密度高、工作电压高、使用寿命长、无记忆效应、绿色安全等优点而被广泛用于手机等电子产品，并且以电动汽车为代表的新能源交通工具产业正在飞速的发展。隔膜作为锂离子电池四大关键材料之一，其作用主要隔离正负极，防止短路，同时提供锂离子通过的微孔通道。
目前市场上商业化的锂离子电池隔膜多为聚烯烃材料隔膜，通常为单向或双向拉伸的单层聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)或PP/PE/PP三层复合隔膜。然而，聚烯烃隔膜因为是热塑性分子材料，热稳定较差，研究表明90℃以上发生热收缩，150℃以上会逐渐融化，会造成锂离子电池内部短路，出现重大的安全问题。另外聚烯烃隔膜与电解液的亲和性较差。
近年来，纤维素隔膜的研究得到广泛的关注并且取得了不错的成果。纤维素隔膜较商业化的聚烯烃隔膜具有更好的热稳定性和浸润性，为研究新型锂电池隔膜奠定了基础。由于纤维素隔膜是由纤维交错排列而成的，与聚烯烃隔膜相比有着较高的孔隙率，提高了锂离子导电率。纤维素隔膜多为天然纤维素分子，化学稳定性良好，且来源充足、环保，制备过程简单，具有可降解的特点。
目前，大多数的锂离子隔膜研究旨在通过改性来提高隔膜的某方面性能，然而从内部结构上来研究隔膜还尚未有较多的成果。从隔膜的微观结构可以看出，在不同尺度下，隔膜中纤维所表现的结构形态并不相同。通过建立隔膜的多尺度结构模型，研究隔膜的内部结构对隔膜性能的影响，为纤维素隔膜制造工艺参数优化提供理论基础，对生成高性能的隔膜有着重要的研究意义。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺陷和不足，提供了一种锂离子电池纤维素隔膜多尺度结构模型的优化方法，建立微观尺度和中尺度下的有限元模型，并优化模型，为研究隔膜内部结构对隔膜性能影响提供理论依据。
本发明的目的可以通过如下技术方案实现：
锂离子电池纤维素隔膜多尺度结构模型的优化方法，包括如下步骤：
S11、在微观尺度下，根据微纤丝和基质的原始占比以及微纤丝的原始角度，建立由基质包裹微纤丝的薄壁圆筒有限元模型，通过有限元仿真模拟得到模型的弹性模量E1；
S12、运用原子力显微镜并采用纳米压痕实验方法测得单根纤维的力位移曲线，经数据处理后得到单根纤维的实际弹性模量E2；
S13、对模型弹性模量E1和实际弹性模量E2进行对比分析，如果则提高有限元模型中所述微纤丝的占比或减小
微纤丝的角度；如果则提高有限元模型中所述基质的占比或增大微纤丝的角度；如果则无需对有限元模型进行优化。
作为优选的技术方案，在步骤S11中通过测定纤维中纤维素、半纤维素和木质素的含量得到所述微纤丝和所述基质的原始占比。
作为优选的技术方案，在步骤S11中所述微纤丝的原始角度通过X射线衍射的方法测得。
作为优选的技术方案，所述纳米压痕实验方法包括如下步骤：在无样品的硅片上，确定原子力显微镜探针的弹性模量；将纤维素隔膜用蒸馏水疏解成单根纤维状态的悬浮液，并稀释备用；在原子力显微镜下观察单根纤维的形态，并使探针沿纤维的长度方向运动从而得到力位移曲线；对力位移曲线采用赫兹模型进行处理得到单根纤维的实际弹性模量E2。
锂离子电池纤维素隔膜多尺度结构模型的优化方法，包括如下步骤：
S21、在中尺度下，用环境扫描电镜观察并得到纤维素隔膜的环境扫描电镜照片；
S22、随机选取几组纤维素隔膜的环境扫描电镜照片，利用图像处理方法提取照片中纤维素隔膜的边界轮廓，选择其中一组边界轮廓清晰的建立中尺度下纤维素隔膜的有限元模型，得到纤维素隔膜的原始纤维密度和直径；
S23、通过有限元仿真模拟得到模型的弹性模量E3；
S24、运用拉伸压缩材料试验机，采用纸和纸板抗张强度国家测试标准，加载速度恒定为100mm/min，测得纤维素隔膜的应力应变曲线，经数据处理后得到实际弹性模量E4；
S25、对模型弹性模量E3和实际弹性模量E4进行对比分析，如果则提高有限元模型中所述纤维的密度或直径；如果则降低有限元模型中所述纤维的密度或直径；如果则无需对有限元模型进行优化。
作为优选的技术方案，在步骤S22中所述图像处理方法依次通过二值化、开闭运算、膨胀腐蚀和去毛边步骤获得边界轮廓。
本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：本发明提供了一种锂离子电池纤维素隔膜多尺度结构模型的优化方法，通过建立微观尺度下和中尺度下的纤维素隔膜结构有限元模型，并与实验结果进行对比，从而优化有限元模型中的纤维参数，使有限元模型更加准确。纤维素隔膜结构模型可用于研究模型的结构参数与隔膜性能之间的关系，并对隔膜的生产制造工艺参数进行指导优化，对生产高性能的隔膜有着重要的作用和意义。
附图说明
图1是本发明实施例中微观尺度下单根纤维的有限元模型
图2是本发明实施例中纤维素隔膜微观尺度结构模型的优化方法流程图
图3是本发明实施例中尺度下用图像处理方法得到的有限元模型
图4是本发明实施例中纤维素隔膜中尺度结构模型的优化方法流程图
其中，1：微纤丝；2：基质
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
如图1所示，本实施例提供了微观尺度下单根纤维的有限元模型。在微观尺度下，单根纤维为由基质2包裹微纤丝1的薄壁圆筒结构。微纤丝1的角度是微纤丝1与纤维长度方向的夹角，微纤丝1的角度越小，纤维的弹性模量越高。
如图2所示，针对微观尺度的纤维素隔膜，锂离子电池纤维素隔膜多尺度结构模型的优化方法，包括如下步骤：
S11、在微观尺度下，根据微纤丝和基质的原始占比以及微纤丝的原始角度，建立由基质包裹微纤丝的薄壁圆筒有限元模型，通过有限元仿真模拟得到模型的弹性模量E1；
S12、运用原子力显微镜并采用纳米压痕实验方法测得单根纤维的力位移曲线，经数据处理后得到单根纤维的实际弹性模量E2；
S13、对模型弹性模量E1和实际弹性模量E2进行对比分析，如果则提高有限元模型中所述微纤丝的占比或减小微纤丝的角度；如果则提高有限元模型中所述基质的占比或增大微纤丝的角度；如果则无需对有限元模型进行优化。
如图3所示，本实施例提供了中尺度下用图像处理方法得到的有限元模型。在中尺度下，隔膜表现为由多根纤维编织而成的网状结构，考虑到隔膜的厚度远小于长度和宽度，将隔膜作为一个二维平面模型。纤维密度为纤维的面积与整个模型面积的比值。
如图4所示，针对中尺度的纤维素隔膜，锂离子电池纤维素隔膜多尺度结构模型的优化方法，包括如下步骤：
S21、在中尺度下，用环境扫描电镜观察并得到纤维素隔膜的环境扫描电镜照片；
S22、随机选取几组纤维素隔膜的环境扫描电镜照片，利用图像处理方法提取照片中纤维素隔膜的边界轮廓，选择其中一组边界轮廓清晰的建立中尺度下纤维素隔膜的有限元模型，得到纤维素隔膜的原始纤维密度和直径；
S23、通过有限元仿真模拟得到模型的弹性模量E3；
S24、运用拉伸压缩材料试验机，采用纸和纸板抗张强度国家测试标准，加载速度恒定为100mm/min，测得纤维素隔膜的应力应变曲线，经数据处理后得到实际弹性模量E4；
S25、对模型弹性模量E3和实际弹性模量E4进行对比分析，如果则提高有限元模型中所述纤维的密度或直径；如果则降低有限元模型中所述纤维的密度或直径；如果则无需对有限元模型进行优化。
实施例1
针对微观尺度，锂离子电池纤维素隔膜微观尺度结构模型的优化方法，包括如下步骤：
S11、在微观尺度下，微纤丝1的原始占比为40％，基质2的原始占比为60％，微纤丝1的原始平均角度为20度，建立由基质2包裹微纤丝1的薄壁圆筒有限元模型，通过有限元仿真模拟得到模型的弹性模量E1＝10.78Gpa；
S12、运用原子力显微镜并采用纳米压痕实验方法测得单根纤维的力位移曲线，经数据处理后得到单根纤维的实际弹性模量E2＝11.71Gpa；
S13、对模型弹性模量E1和实际弹性模量E2进行对比分析，需要对模型进行优化，可将模型中的微纤丝1的占比提高到45％，微纤丝1的角度不变，重新建立单根纤维的有限元模型。通过有限元仿真模拟得到模型的弹性模量E′1＝11.32Gpa，此时在误差允许的范围内，无需再对模型进行优化。
优选的，在步骤S11中通过测定纤维中纤维素、半纤维素和木质素的含量得到微纤丝1和基质2的原始占比。根据测量纤维中的纤维素、半纤维素和木质素的含量分别为40％、33％和27％，则微纤丝1的占比为40％，基质2的占比为60％。
优选的，在步骤S11中微纤丝的原始角度通过X射线衍射的方法测得。
优选的，在步骤S12中纳米压痕实验方法包括如下步骤：在无样品的硅片上，确定原子力显微镜探针的弹性模量；将纤维素隔膜用蒸馏水疏解成单根纤维状态的悬浮液，并稀释备用；在原子力显微镜下观察单根纤维的形态，并使探针沿纤维的长度方向运动从而得到力位移曲线；对力位移曲线采用赫兹(Hertzian)模型进行处理得到单根纤维的实际弹性模量E2。
实施例2
针对中尺度，锂离子电池纤维素隔膜中尺度结构模型的优化方法，包括如下步骤：
S21、在中尺度下，用环境扫描电镜观察并得到纤维素隔膜的环境扫描电镜照片；
S22、随机选取几组纤维素隔膜的环境扫描电镜照片，利用图像处理方法提取照片中纤维素隔膜的边界轮廓，选择其中一组边界轮廓清晰的建立中尺度下纤维素隔膜的有限元模型，得到纤维素隔膜的原始纤维密度＝60％和直径＝0.77um；
S23、通过有限元仿真模拟得到模型的弹性模量E3＝1.95Gpa；
S24、运用拉伸压缩材料试验机，采用纸和纸板抗张强度国家测试标准(GB/T22898-2008)，加载速度恒定为100mm/min，测得纤维素隔膜的应力应变曲线，经数据处理后得到实际弹性模量E4＝1.79Gpa；
S25、对模型弹性模量E3和实际弹性模量E4进行对比分析，如果需要对模型进行优化，可将模型中的纤维直径改为0.68um，纤维密度不变，重新建立有限元模型。通过有限元仿真模拟得到模型的弹性模量E′3＝1.81Gpa，此时在误差允许的范围内，无需对模型进行优化。
优选的，在步骤S22中图像处理方法依次通过二值化、开闭运算、膨胀腐蚀和去毛边步骤获得边界轮廓。
本发明通过建立微观尺度下和中尺度下的纤维素隔膜结构有限元模型，对比有限元模型的弹性模量和实际测量的弹性模量，从而修改有限元模型中纤维参数，达到优化模型，提高模型准确度的目的。纤维素隔膜结构模型，能用于研究隔膜内部结构对隔膜性能的影响，为纤维素隔膜制造工艺参数优化提供理论基础，对生成高性能隔膜有重要的研究意义。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (6)

1.锂离子电池纤维素隔膜多尺度结构模型的优化方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
S11、在微观尺度下，根据微纤丝和基质的原始占比以及微纤丝的原始角度，建立由基质包裹微纤丝的薄壁圆筒有限元模型，通过有限元仿真模拟得到模型的弹性模量E1；
S12、运用原子力显微镜并采用纳米压痕实验方法测得单根纤维的力位移曲线，经数据处理后得到单根纤维的实际弹性模量E2；
S13、对模型弹性模量E1和实际弹性模量E2进行对比分析，如果则提高有限元模型中所述微纤丝的占比或减小微纤丝的角度；如果则提高有限元模型中所述基质的占比或增大微纤丝的角度；如果则无需对有限元模型进行优化。
2.根据权利要求1所述的锂离子电池纤维素隔膜多尺度结构模型的优化方法，其特征在于，在步骤S11中通过测定纤维中纤维素、半纤维素和木质素的含量得到所述微纤丝和所述基质的原始占比。
3.根据权利要求1所述的锂离子电池纤维素隔膜多尺度结构模型的优化方法，其特征在于，在步骤S11中所述微纤丝的原始角度通过X射线衍射的方法测得。
4.根据权利要求1所述的锂离子电池纤维素隔膜多尺度结构模型的优化方法，其特征在于，所述纳米压痕实验方法包括如下步骤：在无样品的硅片上，确定原子力显微镜探针的弹性模量；将纤维素隔膜用蒸馏水疏解成单根纤维状态的悬浮液，并稀释备用；在原子力显微镜下观察单根纤维的形态，并使探针沿纤维的长度方向运动从而得到力位移曲线；对力位移曲线采用赫兹模型进行处理得到单根纤维的实际弹性模量E2。
5.锂离子电池纤维素隔膜多尺度结构模型的优化方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
S21、在中尺度下，用环境扫描电镜观察并得到纤维素隔膜的环境扫描电镜照片；
S22、随机选取几组纤维素隔膜的环境扫描电镜照片，利用图像处理方法提取照片中纤维素隔膜的边界轮廓，选择其中一组边界轮廓清晰的建立中尺度下纤维素隔膜的有限元模型，得到纤维素隔膜的原始纤维密度和直径；
S23、通过有限元仿真模拟得到模型的弹性模量E3；
S24、运用拉伸压缩材料试验机，采用纸和纸板抗张强度国家测试标准，加载速度恒定为100mm/min，测得纤维素隔膜的应力应变曲线，经数据处理后得到实际弹性模量E4；
S25、对模型弹性模量E3和实际弹性模量E4进行对比分析，如果则提高有限元模型中所述纤维的密度或直径；如果则降低有限元模型中所述纤维的密度或直径；如果则无需对有限元模型进行优化。
6.根据权利要求5所述的锂离子电池纤维素隔膜多尺度结构模型的优化方法，其特征在于，在步骤S22中所述图像处理方法依次通过二值化、开闭运算、膨胀腐蚀和去毛边步骤获得边界轮廓。
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