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Cohesive phase-field chemo-mechanical simulations of inter- and trans- granular fractures in polycrystalline NMC cathodes via image-based 3D reconstruction

微晶 成核 材料科学 阴极 晶界 断裂(地质) 降级(电信) 断裂力学 复合材料 微观结构 计算机科学 冶金 热力学 物理 工程类 电气工程 电信
作者
Wanxin Chen,Jeffery M. Allen,Shahed Rezaei,Orkun Furat,Volker Schmidt,Avtar Singh,Peter J. Weddle,Kandler Smith,Bai‐Xiang Xu
出处
期刊:Journal of Power Sources [Elsevier BV]
卷期号:596: 234054-234054 被引量:37
标识
DOI:10.1016/j.jpowsour.2024.234054
摘要

The optimal design and durable utilization of lithium-ion batteries necessitates an objective modeling approach to understand fracture and failure mechanisms. This paper presents a comprehensive chemo-mechanical modeling study focused on elucidating fracture-induced damage and degradation phenomena in the polycrystalline LixNi0.5Mn0.3Co0.2O2 (NMC532) cathode. An innovative approach that utilizes image-based reconstructed 3D geometry as finite element (FE) mesh input is employed to enhance the precision in capturing the convoluted architecture and morphological features. For accurately representing the intricate crack configurations within the polycrystalline system, we adopted the cohesive phase-field fracture (CPF) model. Through the integration of advanced image-based geometry reconstruction technique and the promising CPF modeling approach, lithium (de)intercalation induced crack evolution (e.g., nucleation, propagation, branching and diverse modes including inter-/trans-(intra-) granular patterns) and the resulting chemical degradation can be precisely captured, which is also compared and validated with numerical predictions using a continuum damage model. In particular, this model predicts fracture induced degradation under varying fracture properties of grain boundaries and charging rates; the conclusion that NMC particles comprised of larger grains are predicted to have less degradation than those with smaller grains can also be drawn. This comprehensive analysis provides valuable insights into the fracture and degradation within polycrystalline NMC cathodes.
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