Damage prediction of very high cycle fatigue of high-capacity battery electrodes based on multi-scale modeling
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19K04078
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
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| Allocation Type | Multi-year Fund |
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| Section | 一般 |
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| Review Section |
Basic Section 18010:Mechanics of materials and materials-related
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| Research Institution | Tokyo City University |
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Principal Investigator |
小林 志好 東京都市大学, 理工学部, 准教授 (90295014)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
岸本 喜直 東京都市大学, 理工学部, 准教授 (20581789)
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| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2024-03-31
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| Project Status |
Completed (Fiscal Year 2023)
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| Budget Amount *help |
¥4,290,000 (Direct Cost: ¥3,300,000、Indirect Cost: ¥990,000)
Fiscal Year 2021: ¥1,040,000 (Direct Cost: ¥800,000、Indirect Cost: ¥240,000)
Fiscal Year 2020: ¥1,820,000 (Direct Cost: ¥1,400,000、Indirect Cost: ¥420,000)
Fiscal Year 2019: ¥1,430,000 (Direct Cost: ¥1,100,000、Indirect Cost: ¥330,000)
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| Keywords | 機械材料・材料力学 / 疲労 / 二次電池 / マルチスケール / マルチフィジックス |
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| Outline of Research at the Start |
リチウムイオンバッテリーをはじめとする高容量二次電池を構成する部材の中で，特に脆弱な電極に対し，マルチスケールモデリングに基づいた超高サイクル疲労損傷予測手法を開発する．具体的には，平面曲げ疲労試験を実施して，電極に損傷が生じるまでの繰返し数が百万回を超える低い応力を繰返し与えたときのミリメートルオーダの電極の変形とマイクロメートルオーダの微視的な疲労損傷の過程を関連付ける数理モデルを構築する．
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| Outline of Annual Research Achievements |
研究期間全体を通じて，高容量二次電池の一つであるリチウムイオンバッテリーを対象に，その負極に対する平面曲げ疲労試験とマルチスケールシミュレーションを実施して，本予測手法の予測精度を明らかにすることを試みた．平面曲げ疲労試験では，専用の試験機と電極を製作して，電極に繰返し曲げ変形を与えた．試験中，ひずみゲージで基板のひずみを，カメラで活物質膜の巨視的な損傷過程を得た．活物質膜の厚さや曲面板の曲率を変えて試験を行い，種々の応力レベルに対する電極の変形と損傷過程を得た．また，予測のための基礎データを得るために引張疲労試験を実施した．引張疲労試験の結果から，応力ひずみ線図はループを描いた．このことから，繰り返し荷重を与えると試験片はエネルギー散逸を起こし，そのエネルギーが累積すると試験片は巨視的な破断に至るようであった．この結果を用いて試験片のＳ－Ｎ線図を予測したところ，平面曲げ疲労試験の結果と良い一致を示した．これは電極を構成する活物質とバインダーの配合比を変更した場合であっても同様で，予測の精度も良好であった．また，応力振幅が下限界値以下になると散逸エネルギーが急激に減少し，Ｓ－Ｎ線図に描画した予測線はほぼ横ばいとなった．すなわち，低～高サイクルの疲労はエネルギー散逸によって生じること，ならびに超高サイクルにおける疲労は応力振幅が下限界値を下回ったときの疲労であると定義できることがわかった．最終年度は，前年度に引き続き，実働環境を模した疲労試験の実施を検討した．恒温槽を用いて高温下での静的引張試験を実施したところ，試験片が軟化して小さな荷重で大きく伸びた．次に高温下での引張疲労試験を実施したが，１サイクルの応力ひずみ線図の傾きが予測よりも小さく，現行のシミュレーションでは試験片の軟化に対する予測精度が十分でなかったため，高温下に対する疲労損傷予測の展開は今後の課題となった．
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Report
(5 results)
Research Products
(19 results)
