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Chemo-mechanical Simulation of the Influence of Dislocations in Lithium-ion Battery Materials

Reimuth, Christoph (2023)
Chemo-mechanical Simulation of the Influence of Dislocations in Lithium-ion Battery Materials.
Technische Universität Darmstadt
doi: 10.26083/tuprints-00023865
Ph.D. Thesis, Primary publication, Publisher's Version

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Item Type: Ph.D. Thesis
Type of entry: Primary publication
Title: Chemo-mechanical Simulation of the Influence of Dislocations in Lithium-ion Battery Materials
Language: English
Referees: Xu, Prof. Dr. Bai-Xiang ; Genenko, Prof. Dr. Yuri
Date: 2023
Place of Publication: Darmstadt
Collation: XVII, 126 Seiten
Date of oral examination: 6 March 2023
DOI: 10.26083/tuprints-00023865
Abstract:

Lithium-ion batteries (LIBs) represent the subject of rapidly growing research efforts due to their outstanding physical properties, such as high energy density, superior rate capability, and excellent cycling performance. These performance parameters of LIBs are governed by the ion diffusion process in the host electrode materials. The role of material heterogeneity and structural defects is one of the major research topics regarding the performance optimization of LIBs. In this work, a mechanically coupled diffusion model combined with finite element formulation is developed, where the dislocation is modeled by the regularized eigenstrain based on a non-singular continuum dislocation theory. The free energy density for the diffusion model was formulated as a function of the ion concentration, including the strain energy density. The ions were attributed with an eigenstrain representing the volume change upon ion intercalation. The model was applied to study the interaction between dislocations and diffusive ions. On the one hand, depending on the state of charge, the results show a redistribution of the ions respective to the dislocation stress field. On the other hand, the diffusing ions introduce a stress field, reducing the dislocation stress field. The simulation of potentiostatic and galvanostatic charging shows a substantial heterogeneity of ion concentration around the dislocation core but no overall alteration of the charging speed. Furthermore, the mechanically coupled diffusion model is extended to a phase separation model. The configurational mechanics is generalized for dislocations in the mechanically coupled diffusion model to compute driving forces on misfit dislocations. The driving forces on a dislocation are due to the strain originating from the lattice misfit and from the dislocation interaction with free surfaces, which can be described with the model of an image dislocation. An energy-based criterion for the stability of misfit dislocations in two-phase electrode particles is formulated. This allows computing the energy required to introduce a misfit dislocation into a particle and analyze the results to find a critical particle size for stable dislocations. The results show that the critical particle size is the smallest when the dislocation and interface are positioned in the center. The critical particle size also strongly depends on the dislocation core width implemented in the dislocation model.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage

Das Interesse an Lithium Ionen Batterien wurde aufgrund ihrer herausragenden physikalischen Eigenschaften, wie hohe Energiedichte, ausgezeichnete Lade und Entladegeschwindigkeit und ihrer exzellenten Leistungserhalt über die Lade-Entlade-Zyklen. Die Grundlage dieser Eigenschaften bildet der Diffusionsprozess der Ionen in den Elektrodenmaterialien. Ein besonderer Fokus im Hinblick auf die Leistungsoptimierung von Lithium Ionen Batterien liegt in der Untersuchung von Material Heterogenität und Strukturdefekten. In der vorliegenden Arbeit wird ein mechanisch gekoppeltes Diffusionsmodell mit Finite Elemente Formulierung entwickelt, in der Versetzungen als regularisierte Eigendehnung auf der Grundlage einer nicht-singulären Kontinuumsversetzungstheorie modelliert werden. Die freie Energiedichte für das Diffusionmodell wurde als Funktion der Ionenkonzentration aufgestellt, wobei wie spezifische Verzerrungsenergie enthalten ist. Die Ionenkonzentration ist mit einer Eigendehnung verknüpft, die die Volumenänderung durch die Einlagerung von Ionen in das Kathodenmaterial repräsentiert. Das Modell wurde zur Untersuchung der Interaktion von Stufenversetzungen und diffundierenden Ionen eingesetzt. Als Ergebnisse wurde dem Spannungsfeld der Versetzung folgend eine Umverteilung der Ionen um den Versetzungskern beobachtet, die vom Ladezustand abhängt. Auf der anderen Seite verursachen die Ionen selbst ein Spannungsfeld, dass durch die Umverteilung das Spannungsfeld der Versetzung reduziert. Die Simulation von potentiostatischer und galvanostatischer Ladevorgängen zeigte eine substantielle Heterogenität der Ionenkonzentration um den Versetzungskern aber keine generelle Änderung der Ladegeschwindigkeit. Darüber hinaus wurde das mechanisch gekoppelte Diffusionsmodell zu einen Phasenseparationsmodell erweitert. Die Konfigurationsmechanik wurde für Versetzungen in mechanisch gekoppelten Diffusionsmodellen generalisiert um treibende Kräfte auf Versetzungen durch die Differenz der Gitterparameter an Grenzflächen zu berechnen. Die Ursache der treibenden Kräfte auf die Versetzung sind die Dehnung durch die Gitterfehlanpassung und die Interaktion der Versetzung mit freien Oberflächen, die mit dem Modell einer Spiegelversetzung beschrieben werden kann. Ein energiebasiertes Kriterium für die Stabilität von Grenzflächenversetzungen in zweiphasigen Elektrodenpartikeln wurde aufgestellt. Damit kann die erforderliche Energie berechnet werden, um eine Grenzflächenversetzungen in ein Partikel einzubringen und auf eine kritische Partikelgröße für stabile Grenzflächenversetzungen zu untersuchen. Die Ergebnisse zeigten eine kleinste kritische Partikelgröße wenn die Versetzung mit der Grenzfläche genau in der Mitte des Partikels positioniert sind. Die kritische Partikelgröße hängt auch stark von der im Versetzungsmodell implementierten Kernweite der Versetzung ab.

German
Status: Publisher's Version
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-238659
Classification DDC: 500 Science and mathematics > 500 Science
Divisions: 11 Department of Materials and Earth Sciences > Material Science
11 Department of Materials and Earth Sciences > Material Science > Mechanics of functional Materials
Date Deposited: 23 Jun 2023 12:04
Last Modified: 04 Jul 2023 08:03
URI: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/23865
PPN: 509036201
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