Intercalation in Li-ion batteries: thermodynamics and its relation to non-ideal solid-state diffusion

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作者
Marco Lagnoni,Gaia Armiento,Cristiano Nicolella,Antonio Bertei
出处
期刊:Progress in energy [IOP Publishing]
卷期号:6 (2): 023002-023002 被引量:4
标识
DOI:10.1088/2516-1083/ad22d0
摘要

Abstract Intercalation is the key phenomenon taking place in lithium-ion batteries: while its thermodynamics sets the equilibrium voltage of active materials, solid-state diffusion of intercalated lithium determines the rate at which the battery can operate. This study revisits the thermodynamics of intercalation by treating the active material as a binary mixture of filled and empty sites, thus relating the equilibrium potential to the chemical potential difference of intercalated lithium. By setting a reference to unitary activity at half state-of-lithiation, the non-ideal behaviour of the active material is quantified via a revisited form of the thermodynamic enhancement factor, revealing that common solid-solution cathode materials as LiNi x Mn y Co 1- x-y O 2 , LiNi 0.8 Co 0.15 Al 0.05 O 2 , and LiCoO 2 show strong super-ideal behaviour. The latter is related to the thermodynamic enhancement of the diffusion coefficient of intercalated lithium. A comprehensive overview of the functional forms of Li diffusion flux according to linear irreversible thermodynamics is provided and related to the chemical diffusion coefficient obtained by conventional characterisation techniques. A literature analysis made on solid-solution cathode active materials reveals that while the chemical diffusion coefficient varies significantly with state-of-lithiation, there exists a convenient functional form of diffusion flux according to linear irreversible thermodynamics that enables a fairly stable diffusion coefficient with state-of-lithiation. This has clear benefits from both modelling and experimental viewpoints and potentially sheds light on the mechanistic fundamentals of solid-state diffusion.
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