A comprehensive diffusion-induced stress coupled multiscale modeling and analysis in hard-carbon electrodes of Li-ion batteries

电极 材料科学 扩散 压力(语言学) 离子 碳纤维 化学物理 纳米技术 工程物理 复合材料 化学 热力学 物理 复合数 物理化学 哲学 有机化学 语言学
作者
Pendyala Pavan Kumar,Asutosh Agrawal,Debasis Nayak,Koushik Biswas,Sudipto Ghosh,Tarun Kumar Kundu
出处
期刊:Physical Chemistry Chemical Physics [Royal Society of Chemistry]
卷期号:25 (30): 20462-20472 被引量:9
标识
DOI:10.1039/d3cp01967e
摘要

Particle fracture due to diffusion-induced stress (DIS) in electrodes is a key factor for lithium-ion battery (LIB) failure. Among many ways to minimize DIS, optimization of particle size and C-rates using state of charge (SOC) dependent varying properties can be a noble approach. Herein, a comprehensive multiscale modeling approach has been proposed to optimize the particle size by studying the DIS in hard carbon (HC) particles as the potential anode materials for high-energy LIBs. To accomplish this, density functional theory (DFT) was used to calculate the SOC dependent coefficient of volume expansion (CVE). Similarly, SOC dependent diffusivity and elastic modulus are calculated via molecular dynamics (MD) simulations. These results are transferred to a continuum model to examine the evolution of concentrations and DISs in hard carbon particles of radius 100-1000 nm lithiated at various C-rates (1C, 2C, 5C, and 10C). Our model successfully incorporates the variation of Li+ diffusivity and elastic modulus with SOC and tracks stress relaxation and volume expansion in the particles during lithiation. An optimized particle size has been recommended for hard carbon, considering both stresses for different C-rates. Our study provides a more realistic multiscale modeling framework for optimizing the DIS and can act as a guiding method towards achieving an optimum particle size so that capacity fading due to cracking can be avoided.
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