A Numerical Study of Mechanical Degradation of Carbon-Coated Graphite Active Particles in Li-ion Battery Anodes

材料科学 阳极 成核 复合材料 涂层 开裂 石墨 微尺度化学 机械 热力学 化学 物理 数学教育 数学 电极 物理化学
作者
Jorge Marín-Montín,Mauricio Zurita–Gotor,Francisco Montero‐Chacón
出处
期刊:Journal of The Electrochemical Society [The Electrochemical Society]
卷期号:169 (7): 070528-070528 被引量:7
标识
DOI:10.1149/1945-7111/ac81f2
摘要

During operation, different diffusive and mechanical phenomena take place inside LIBs that result in a loss of performance and, eventually, threaten battery life. One of the main drawbacks affecting anode materials is the significant volumetric expansion (contraction) experienced by active material particles during lithiation (delithiation) processes, which may cause fracture. In this work, we present a novel numerical model to analyze coupled diffusion-mechanical problems accounting for material inhomogeneities. We are able to describe the nucleation of cracks and their propagation during particle cycling, depending on charging and discharging rates. Moreover, our model is able to reproduce complex fracture processes such as branching and change of directions. This description relies on combined use of a randomness parameter and a stochastic characterization of material properties within a lattice model approach. The model is used to analyze the effect of particle coating as a strategy to diminish the effect of transient cracking (that leads to early capacity fade). This is studied in detail at the coating-substrate interface and novel material designs are tested within our simulation framework.
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