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

材料科学 石墨 化学物理 粒子(生态学) 电镀(地质) 电极 相(物质) 锂(药物) 纳米技术 化学 复合材料 物理 物理化学 医学 海洋学 有机化学 内分泌学 地球物理学 地质学
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:65
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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