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Multiphysics Optimization of Graphite-Buffered Bilayer Anodes with Diverse Inner Materials for High-Energy Lithium-Ion Batteries

多物理 材料科学 阳极 过电位 电解质 钛酸锂 锂(药物) 电池(电) 复合材料 金属锂 石墨 电化学 双层 图层(电子) 纳米技术 分离器(采油) 储能 锂离子电池 化学工程 集电器 粒子(生态学) 陶瓷 沸石咪唑盐骨架 碳纤维 容量损失 锂电池
作者
J. Carretero Rubio,Martin Bolduc
出处
期刊:Batteries [Multidisciplinary Digital Publishing Institute]
卷期号:11 (10): 350-350
标识
DOI:10.3390/batteries11100350
摘要

This study presents a multiphysics simulation approach to optimize graphite-buffered bilayer anodes for enhanced energy density in lithium-ion batteries, assessing the electrochemical impact of diverse inner-layer materials, including silicon, hard carbon, lithium titanate (LTO), and metallic lithium, in pure and graphite-composite forms. A coupled finite-element model implemented in COMSOL Multiphysics 6.2 was used to integrate spherical lithium diffusion, charge conservation, and the solid electrolyte interphase (SEI) formation kinetics. The evaluated anode structure consisted of a 60 µm-thick bilayer: a 30 µm graphite surface layer coupled with a 30 µm inner layer of alternative active materials. Simulations were performed using an NMC622 cathode, LiPF6 in EC:EMC electrolyte, at room temperature, under a charge rate of 1 C, considering realistic particle sizes (graphite: 2.5 µm; Si: 0.1 µm; hard carbon: 2.5 µm; LTO: 0.2 µm; Li metal: 0.5 µm), and evaluated over 2000 cycles. The hard carbon/graphite configuration exhibited a capacity fade of 5.8% compared with 7.1% in pure graphite. Additionally, the SEI thickness decreased to 0.20 µm (from 0.25 µm), the overpotential dropped to −17 mV (from −59 mV), and the electrolyte consumption was reduced to 20.8% (from 42.9%). The analysis highlights hard carbon and LTO inner layers as optimal trade-offs between capacity and cycle stability, whereas silicon and lithium metal significantly increased the initial capacity but accelerated SEI formation and impedance growth. These findings demonstrate the graphite-buffered bilayer’s potential to decouple interfacial degradation from high-capacity materials, providing valuable guidelines for the design of advanced lithium-ion battery anodes.
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