Multiscale dynamics of charging and plating in graphite electrodes coupling operando microscopy and phase-field modelling

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作者
Xuekun Lu,Marco Lagnoni,Antonio Bertei,Supratim Das,Rhodri E. Owen,Qi Li,Kieran O’Regan,Aaron Wade,Donal P. Finegan,Emma Kendrick,Martin Z. Bazant,Dan J. L. Brett,Paul R. Shearing
出处
期刊:Nature Communications [Nature Portfolio]
卷期号:14 (1) 被引量:49
标识
DOI:10.1038/s41467-023-40574-6
摘要

The phase separation dynamics in graphitic anodes significantly affects lithium plating propensity, which is the major degradation mechanism that impairs the safety and fast charge capabilities of automotive lithium-ion batteries. In this study, we present comprehensive investigation employing operando high-resolution optical microscopy combined with non-equilibrium thermodynamics implemented in a multi-dimensional (1D+1D to 3D) phase-field modeling framework to reveal the rate-dependent spatial dynamics of phase separation and plating in graphite electrodes. Here we visualize and provide mechanistic understanding of the multistage phase separation, plating, inter/intra-particle lithium exchange and plated lithium back-intercalation phenomena. A strong dependence of intra-particle lithiation heterogeneity on the particle size, shape, orientation, surface condition and C-rate at the particle level is observed, which leads to early onset of plating spatially resolved by a 3D image-based phase-field model. Moreover, we highlight the distinct relaxation processes at different state-of-charges (SOCs), wherein thermodynamically unstable graphite particles undergo a drastic intra-particle lithium redistribution and inter-particle lithium exchange at intermediate SOCs, whereas the electrode equilibrates much slower at low and high SOCs. These physics-based insights into the distinct SOC-dependent relaxation efficiency provide new perspective towards developing advanced fast charge protocols to suppress plating and shorten the constant voltage regime.
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