Microstructure-Aware Mesoscale Modeling of Chemomechanical Stress Evolution during Cycling in Solid Electrolyte-Cathode Composite

微观结构 复合数 电解质 材料科学 中尺度气象学 阴极 自行车 压力(语言学) 复合材料 化学 电极 物理 气象学 物理化学 语言学 哲学 考古 历史
作者
Bo Wang,Longsheng Feng,Kwangnam Kim,Marissa Wood,Liwen F. Wan,Brandon C. Wood,Tae Wook Heo
出处
期刊:Meeting abstracts 卷期号:MA2024-01 (38): 2296-2296
标识
DOI:10.1149/ma2024-01382296mtgabs
摘要

The volume change of cathode active materials during charge-discharge cycling is responsible for the capacity fading of all-solid-state Li batteries due to mechanical degradation in the cathode such as delamination and crack formation. Many strategies to alleviate the chemomechanical stress buildup have been proposed in experiments but rationale of the stress release mechanisms at the mesoscale remain elusive. In this presentation, we present a microstructure-aware mesoscale model to quantitatively predict the stress distribution during cycling in a secondary particle agglomerate of the cathode active material embedded within a solid electrolyte matrix, taking the LiCoO 2 -Li 7 La 3 Zr 2 O 12 (LCO-LLZO) as a model system. We find that the mechanical stress hotspots develop at different stages within the grain boundaries of the LCO agglomerate and the LCO-LLZO interfaces. We investigate the influences of microstructural morphology (columnar versus equiaxial), grain orientations (textured versus random), mechanical properties at the grain boundaries and heterogeneous interfaces, and anisotropy of chemical expansion on the stress hotspot evolution and provide optimal mitigation strategies. The theoretical results can help gain mechanistic understanding on cathode degradation and inform guidelines for experimental design of mechanically optimized cathode materials for long-life solid-state batteries. This work was performed under the auspices of the U.S. Department of Energy by Lawrence Livermore National Laboratory under Contract DE-AC52-07NA27344 and 22-ERD-043.

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