Modeling and simulation of inhomogeneities in a 18650 nickel-rich, silicon-graphite lithium-ion cell during fast charging

阳极 过电位 材料科学 锂(药物) 荷电状态 电极 核工程 电化学 锂离子电池 石墨 电池(电) 化学 热力学 复合材料 工程类 功率(物理) 物理化学 内分泌学 物理 医学
作者
Johannes Sturm,Alexander Rheinfeld,Ilya Zilberman,Franz B. Spingler,Stephan Kosch,Fabian Frie,Andreas Jossen
出处
期刊:Journal of Power Sources [Elsevier BV]
卷期号:412: 204-223 被引量:221
标识
DOI:10.1016/j.jpowsour.2018.11.043
摘要

Recent high-energy lithium-ion batteries contain highly densified electrodes, but they are expected to endure fast charging without safety compromises or accelerated aging. To investigate fast charging strategies, we use a multi-dimensional model consisting of several newman-type electrochemical models (p2D) coupled to an electrical-thermal cell domain model. Open-circuit potential, infrared thermography and calorimetry experiments of a high-energy 18650 NMC-811/SiC lithium-ion cell are used for model parameterization and validation. First, a single p2D model is used to compare the charging rate capabilities of NMC-811/SiC and NMC-111/graphite cells. We assess the modeling error of the single p2D model relative to the multi-dimensional model as a function of tab design. The multi-dimensional model is then used to study different tab and electrode designs regarding their susceptibility to lithium plating, which is evaluated based on local anode overpotential and local temperature. High-rate charging current profiles that minimize the risk of lithium plating are derived by implementing an anode potential threshold. We show that a state of charge beyond 60% can be reached in less than 18 min.
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