Electrochemical-Mechanical Parameterization and Modeling of Expansion, Pressure, and Porosity Evolution in NMC811∣SiOx-Graphite Lithium-Ion Cells

材料科学 阳极 电化学 石墨 多孔性 变形(气象学) 电极 膨胀计 锂(药物) 复合材料 阴极 热膨胀 冶金 化学 医学 物理化学 内分泌学
作者
Otto von Kessel,Tobias Hoehl,Philipp Heugel,Felix Brauchle,Dragoljub Vranković,Kai Peter Birke
出处
期刊:Journal of The Electrochemical Society [The Electrochemical Society]
卷期号:170 (9): 090534-090534 被引量:8
标识
DOI:10.1149/1945-7111/ace1aa
摘要

The mechanical changes in active materials with large volume expansion such as silicon and nickel not only affect the electrochemical performance of modern batteries but also pose a great challenge to their mechanical design due to the pressure increase during operation. In this study, we show that the large expansion and consequently changing mechanical properties of silicon and nickel strongly affect the electrochemical and mechanical performance. A multi-scale electrochemical model is developed, parameterized, and validated for a pouch cell with a SiO x -graphite anode (22 wt% SiO x ) and an NMC∣811 cathode. Mechanical parameters such as expansion and compressive properties are determined experimentally using an in-house-developed high-precision cell press and electrode dilatometer, thus parameterizing a semi-empirical mechanical model. We employ a new characterization technique to measure mechanical changes in the cell in-operando and propose a phenomenological parameterization where physical modeling is not yet sufficient. Through electrode porosity, we show that mechanical and electrochemical performance are interdependent, as the latter is reduced upon expansion and pressure development. On the one hand, the active material of the anode seems to expand into the pores at increased pressure, and on the other hand, the mechanical deformation of the cell components can no longer be neglected.
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