锂离子电池三元正极核-壳结构的电化学-力学模拟

doi:10.7503/cjcu20240259

摘要/Abstract

摘要：

利用有限元模拟技术构建了电化学-力学耦合的三维多物理场锂离子电池模型, 进而获得了核-壳正极在放电过程中Li⁺浓度、应变和应力的分布与演变情况, 并研究了放电结束时不同放电倍率、壳厚度和核粒径对应变和应力的影响. 结果表明, 颗粒中心及核-壳界面处的应力在放电初期迅速达到最大值, 然后随着Li⁺扩散过程的进行, 应力逐渐减小. 另外, 黏结剂和相邻颗粒对电极应力分布有显著影响. 减小放电速率和核粒径以及增加壳厚度能够降低电极中的应力. 研究结果可为核-壳正极结构的设计与优化以及锂离子电池放电策略提供参考.

关键词: 锂离子电池, 核-壳结构, 有限元, 电化学, 扩散应力

Abstract:

Ternary cathode material LiNi _x Co _y Mn _z O₂（NCM） with a core-shell structure is one of the key materials for the development of lithium-ion batteries with high specific capacity and long term cycle stability. However， stress-induced mechanical failure is one of the main factors that would lead to the capacity decay of such types of electrode materials. In order to better understand the stress distribution and evolution in the core-shell structural cathode during the electrochemical reaction process， a three-dimensional multiphysics lithium-ion battery model for electrochemistry-mechanics coupling was constructed in this paper. The distribution and evolution of Li⁺ concentration， strain and stress in the core-shell cathode during the discharge process were first obtained through the model， and then the effects of various discharge rates， shell thicknesses， and core radiuses on the strain-stress at the end of the discharge were investigated. The results show that stresses at the centre of the particle and the core-shell interface rapidly reach their maximum at the beginning of the discharge， and then undergo a gradual decreasing process with the prolonged diffusion process of Li⁺. The binder and neighboring particles have significant effects on the stress distribution in this cathode. Decreasing the discharge rate and core radius， as well as increasing the shell thickness， can reduce the stress in the cathode. The obtained conclusions can provide a reference for the design and optimization of core-shell cathode structures as well as discharge strategies for lithium-ion batteries.

Key words: Lithium-ion battery, Core-shell structure, Finite element, Electrochemistry, Diffusion stress

中图分类号:

O646.54

TrendMD:

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图/表 12

Fig.1 Geometric schematics and boundary conditions for 3D model

Table 1 Summary of parameters used in the model

Particle radius， r_p	r_c+a_s	Modulus of Al₂O₃， E_Al2O3^［23］	140 GPa
Transfer coefficient， α_aα_c^［20］	0.5	Modulus of binder， E_bin^［24］	5 GPa
Maximum Li⁺ concentration of NCM811， C $s, m a x N C M$ ^［21］	37825 mol/m³	Poisson's ratio of NCM， υ_NCM^［21］	0.25
Diffusion coefficient of NCM811， D_NCM^［21］	4×10^-14 m²/s	Poisson's ratio of Al₂O₃， υ_Al2O3^［23］	0.2
Diffusion coefficient of Al₂O₃， D_Al2O3^［22］	1.1×10^-14 m²/s	Poisson's ratio of binder， υ_bin^［24］	0.3
Modulus of NCM， E_NCM^［21］	194.4 GPa

Table 1 Summary of parameters used in the model

Particle radius， r_p	r_c+a_s	Modulus of Al₂O₃， E_Al2O3^［23］	140 GPa
Transfer coefficient， α_aα_c^［20］	0.5	Modulus of binder， E_bin^［24］	5 GPa
Maximum Li⁺ concentration of NCM811， C $s, m a x N C M$ ^［21］	37825 mol/m³	Poisson's ratio of NCM， υ_NCM^［21］	0.25
Diffusion coefficient of NCM811， D_NCM^［21］	4×10^-14 m²/s	Poisson's ratio of Al₂O₃， υ_Al2O3^［23］	0.2
Diffusion coefficient of Al₂O₃， D_Al2O3^［22］	1.1×10^-14 m²/s	Poisson's ratio of binder， υ_bin^［24］	0.3
Modulus of NCM， E_NCM^［21］	194.4 GPa

Table 2 Parameters used for parametric studies

Discharging rate， C	0.1C， 0.5C， 1.0C	Core radius， r_c	8 μm， 9 μm， 10 μm
Shell thickness， a_s	10 nm， 20 nm， 50 nm

Fig.2 Discharge voltage curves(A), evolution of radial Li+ concentration(B), radial Li+ concentration at the end of discharge(C), Li+ concentration in solid(electrode)(D) and liquid(electrolyte)(E) phase at the end of discharge

Fig.3 Evolution of strain in core(A) and shell(B), evolution of radial stress in core(C) and shell(D), evolution of tangential stress in core(E) and shell(F)

Fig.4 Evolution of the first principal stress of the particle(A), cross⁃section of the evolution of the first principal stress of the binder and the particles(B)

Fig.5 Strain in core(A), radial stress in core(B) and shell(C), tangential stress in core(D) and shell(E), tangential stress difference at the core⁃shell interface(F)

Fig.6 Cross⁃section of the first principal stress of the cathode

Fig.7 Discharge voltage curves(A), radial Li+ concentration(B), strain in core(C) and shell(D), radial stress in core(E) and shell(F), tangential stress in core(G) and shell(H), normalized total capacity of cathode particles(I), cross⁃section of the first principal stress of the binder(J)

Fig.8 Geometric schematics of cathode with various particle radius

Fig.9 Discharge voltage curves(A), radial Li+ concentration curves(B), strain in core(C) and shell(D), radial stress in core(E) and shell(F), tangential stress in core(G) and shell(H), tangential stress difference at the core⁃shell interface(I)

Fig.10 Cross⁃section of the first principal stress distribution of the cathode

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