اثر جدايش فازي بر تنش هاي ناشي از نفوذ در ذرات كروي و استوانه اي الكترودها

The Effect of Phase Separation on Diffusion Induced Stresses in Spherical and Cylindrical Electrode Particles

Hزمايش‌هاي بسياري نشان داده‌اند جدايش فازي در الكترودها مي‌تواند منجر به بروز خرابي‌هاي مكانيكي و درنتيجه كاهش عمر عملكردي باتري‌هاي ليتيومي شود. در اين تحقيق، به‌كمك يك مدل ميدان فازي، به مطالعه‌ اثر پديده جدايش فازي بر فرايندهاي نفوذ يوني، شامل شارژ و دشارژ در ذرات كروي و استوانه‌اي شكل الكترودها پرداخته مي‌شود. به اين منظور، ابتدا معادلات حاكم بر مسئله استخراج، و پس از گسسته‌سازي به‌كمك روش تفاضل محدود مركزي، ميدان غلظت و سپس ميدان تنش از حل عددي معادلات جبري حاصل به‌روش نيوتن- رفسون تعيين مي‌شوند. نتايج به‌دست آمده با نتايج تحليلي حاصل از مدل هسته- پوسته نيز مقايسه و صحت‌سنجي مي‌شود. نتايج نشان مي‌دهد در محدوده پارامترهاي مورد مطالعه، جدايش فازي مي‌تواند منجر به افزايش بيش از پنج برابري تنش‌هاي كششي در سطح ذرات الكترود شود

Experiments have frequently shown that phase separation in lithium-battery electrodes could lead to mechanical failure, poor cycling performance, and reduced capacity. Here, a phase-field model is utilized to investigate how phase separation affects the evolution of the concentration and stress profiles within the spherical/cylindrical electrode particles, during both insertion and extraction half-cycles. To this end, the governing equations are derived and then discretized using the central finite difference method. The resulting algebraic equations are solved numerically with the aid of the Newton-Raphson method to determine both the concentration and stress fields in the electrode particles. For further verification, the results are compared against predictions of an analytical core-shell model. The results suggest that, within the range of parameters considered here, phase separation could lead to a more than five-fold increase in the maximum tensile stress at the particles surface.