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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
Dissertation, Erstveröffentlichung, Verlagsversion

Kurzbeschreibung (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.

Typ des Eintrags: Dissertation
Erschienen: 2023
Autor(en): Reimuth, Christoph
Art des Eintrags: Erstveröffentlichung
Titel: Chemo-mechanical Simulation of the Influence of Dislocations in Lithium-ion Battery Materials
Sprache: Englisch
Referenten: Xu, Prof. Dr. Bai-Xiang ; Genenko, Prof. Dr. Yuri
Publikationsjahr: 2023
Ort: Darmstadt
Kollation: XVII, 126 Seiten
Datum der mündlichen Prüfung: 6 März 2023
DOI: 10.26083/tuprints-00023865
URL / URN: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/23865
Kurzbeschreibung (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.

Alternatives oder übersetztes Abstract:
Alternatives AbstractSprache

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.

Deutsch
Status: Verlagsversion
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-238659
Sachgruppe der Dewey Dezimalklassifikatin (DDC): 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 500 Naturwissenschaften
Fachbereich(e)/-gebiet(e): 11 Fachbereich Material- und Geowissenschaften
11 Fachbereich Material- und Geowissenschaften > Materialwissenschaft
11 Fachbereich Material- und Geowissenschaften > Materialwissenschaft > Fachgebiet Mechanik Funktionaler Materialien
Hinterlegungsdatum: 23 Jun 2023 12:04
Letzte Änderung: 26 Jun 2023 06:10
PPN:
Referenten: Xu, Prof. Dr. Bai-Xiang ; Genenko, Prof. Dr. Yuri
Datum der mündlichen Prüfung / Verteidigung / mdl. Prüfung: 6 März 2023
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