Numerische Untersuchungen interkalationsinduzierter Spannungen in Elektrodeneinzelpartikeln von Lithium-Ionen-Batterien

Numerical Investigation of Intercalation-Induced Stresses within Electrode Particles of Lithium Ion Batteries

Authors

  • Michael Kespe,

    Corresponding author
    1. Karlsruher Institut für Technologie, Institut für Mechanische Verfahrenstechnik und Mechanik, Straße am Forum 8, 76131 Karlsruhe, Deutschland
    • Karlsruher Institut für Technologie, Institut für Mechanische Verfahrenstechnik und Mechanik, Straße am Forum 8, 76131 Karlsruhe, Deutschland

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  • Dr.-Ing. Florian Keller,

    1. Karlsruher Institut für Technologie, Institut für Mechanische Verfahrenstechnik und Mechanik, Straße am Forum 8, 76131 Karlsruhe, Deutschland
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  • Prof. Dr. Willy Dörfler,

    1. Karlsruher Institut für Technologie, Institut für Angewandte und Numerische Mathematik 2, Kaiserstraße 89 – 93, 76133 Karlsruhe, Deutschland
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  • Prof. Dr.-Ing. Hermann Nirschl

    1. Karlsruher Institut für Technologie, Institut für Mechanische Verfahrenstechnik und Mechanik, Straße am Forum 8, 76131 Karlsruhe, Deutschland
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Abstract

Bei der Weiterentwicklung von Lithium-Ionen-Batterien ist die Reduzierung des messbaren Kapazitätsverlustes von besonderem Interesse. Die im Verlauf der Lithiuminterkalation innerhalb des aktiven Partikelmaterials entstehenden mechanischen Spannungen die zum Bruch der Partikel führen können, wurden als eine Ursache hierfür identifiziert. Um die Größe der entstehenden Spannungen abzuschätzen, wird ein Modell für ein aktives Einzelpartikel der positiven Elektrode entwickelt, das aus LiCoO2 besteht und die Ausbildung einer Phasentrennung berücksichtigt. Zur Verallgemeinerung der Idealvorstellung eines sphärischen Einzelpartikels ist das Modell dreidimensional ausgeführt.

Abstract

A challenge in the further development of lithium ion batteries is the reduction of the measurable capacity fade. One mechanism leading to electrode degradation is particle cracking due to the intercalation of lithium into the host material. This leads to considerable volumetric strain, and therefore, to mechanical stresses which can exceed the particle strength. In order to estimate the magnitude of the arising intercalation-induced stresses, a numerical model was developed for a single particle consisting of LiCoO2. Special consideration was paid to the influence of phase segregation on mechanical stresses. A three dimensional model was developed in order to cover the influence of anisotropic particles with spheroids used as model system.

Ancillary