Modeling Coupled Chemo-Mechanical Behavior of Randomly Oriented NMC811 Polycrystalline Li-Ion Battery Cathodes

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作者
Kasra Taghikhani,Peter J. Weddle,Jean‐François Berger,Robert J. Kee
出处
期刊:Journal of The Electrochemical Society [The Electrochemical Society]
卷期号:168 (8): 080511-080511 被引量:26
标识
DOI:10.1149/1945-7111/ac1811
摘要

This paper develops a three-dimensional, transient, chemo-mechanical model that predicts the performance of single secondary particle Li-ion battery cathodes. The secondary particles are composed of numerous (approximately 60) randomly oriented single-crystal primary particles. The model incorporates concentration-dependent and anisotropic material properties. As much as possible, electrochemical, transport, and structural properties for crystalline NMC811 (LixNi0.8Mn0.1Co0.1O2) are taken from prior publications. Weak Van der Waals bonding between primary particles is modeled empirically using a spring analogy, which enables local primary-particle separations (disintegration) and subsequent reattachments. The model fully couples Li diffusion and the mechanical response. Results include predictions of local Li-concentrations and stresses. High stresses are found near grain boundaries, especially when the lattice orientations are greatly misaligned. Particle separations are characterized in terms of a damage parameter. The model is used to predict the effects of design and operating conditions, including charge/discharge rates, cycling scenarios, and particle sizes.
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