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    Thermal Stability and Degradation of NCA in Solid-polymer Batteries

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    Festkörperbatterien mit Polymerelektrolyt in Kombination mit Ni-reichen Kathodenmaterialien, wie zum Beispiel LiNi0.8_{0.8}Co0.15_{0.15}Al0.05_{0.05}O2_{2} (NCA), sind vielversprechende Kandidaten fĂŒr die nĂ€chste Generation von Energiespeichern. Angesichts der Vorteile hinsichtlich Sicherheit und der potentiellen Ermöglichung von hohen Energiedichten, haben sich zahlreiche (Start-up-) Unternehmen mit der Kommerzialisierung dieser Technologie auseinandergesetzt. Dennoch verbleiben einige technologische Herausforderungen, die auf die eingeschrĂ€nkte Batterieleistung aufgrund des (thermisch) anfĂ€lligen Kathodenmaterials, die engen elektrochemischen StabilitĂ€tsfenster nutzbarer Polymerelektrolyte, und andere, noch aufzuklĂ€rende, Degradationsprozesse zurĂŒckzufĂŒhren sind. Diese Arbeit ist daher auf die Analyse möglicher DegradationsphenomĂ€ne fokussiert, die auf unterschiedlichen Ebenen der Polymer-Festkörperbatterien in Kombination mit NCA vorkommen. Durch die Nutzung moderner Synchrotrontechniken, wird hierbei ein besonderer Schwerpunkt auf das chemische, thermische und mechanische Zusammenspiel der hierarchisch strukturierten Polymer-Festkörperbatterie gelegt. Die systematische Herangehensweise bestrebt hierbei die komplexe thermo-mechanische, chemo-thermische, und chemo-mechanische StabilitĂ€t von NCA im delithiierten Zustand, auf der Ebene eines einzelnen Partikels, aufzuklĂ€ren. Dabei wird dargestellt, wie sich die durch thermische Belastungen ausgelöste Zersetzung in Form von freigesetztem Sauerstoff, Phasenumwandlung und gleichzeitiger Reduktion von Ni sowie durch die Entstehung von Mesoporen zeigt. Zudem wird die hohe Bedeutung des chemo-thermischen Zusammenspiels des Aktivmaterials, Polymerelektrolyten und Lithiumsalzes in der Kathode demonstriert. Letztendlich wird illustriert, dass die Entstehung von intergranularen Frakturen die Deaktivierung von Subpartikel-DomĂ€nen verursacht und folglich einen Verlust der Ionen- und ElektronenleitfĂ€higkeit innerhalb von Partikeln, die wiederum eine lokale Impedanzerhöhung so wie Änderung der Transportwege von LadungstrĂ€gern mit sich bringt

    A Modified Electrochemical Model to Account for Mechanical Effects Due to Lithium Intercalation and External Pressure

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    For a battery cell, both the porosity of the electrodes/separator and the transport distance of charged species can evolve due to mechanical deformation arising from either lithium intercalation-induced swelling and contraction of the active particles or externally applied mechanical loading. To describe accurately the coupling between mechanical deformation and the cell\u27s electrochemical response, we extend Newman\u27s DualFoil model to allow variable, non-uniform porosities in both electrodes and the separator, which are dynamically updated based on the electrochemical and mechanical states of the battery cell. In addition, the finite deformation theory from continuum mechanics is used to modify the electrochemical transport equations to account for the change of the charged species transport distance. The proposed coupled electrochemomechanical model is tested with a parameterized commercial cell. Our simulation results confirm that mass conservation is satisfied with the new formulation. We further show that mechanical effects have a significant impact on the cell\u27s electrochemical response at high charge/discharge rates
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