Analytical and Numerical Analysis of Lithium Plating Onset in Single and Bilayer Graphite Electrodes during Fast Charging

阳极 电镀(地质) 石墨 材料科学 锂(药物) 双层 电极 化学 复合材料 膜 物理化学 物理 地球物理学 生物化学 医学 内分泌学
作者
Aleksandar S. Mijailovic,Guanyi Wang,Yejing Li,Jian Yang,Wenquan Lu,Qingliu Wu,Brian W. Sheldon
出处
期刊:Journal of The Electrochemical Society [Institute of Physics]
卷期号:169 (6): 060529-060529 被引量:22
标识
DOI:10.1149/1945-7111/ac73bb
摘要

Lithium plating is commonly observed in anodes charged at fast rates, and can lead to capacity loss and battery safety issues. The increased risk of plating has been attributed to transport limitations, and architectured electrodes may reduce plating risk. However, while theoretical studies have shown that reaction non-uniformity arises due to interplay of transport limitations, anode open circuit voltage behavior and reaction kinetics, its effect on lithium plating has not been studied. We use analytic and numerical simulations to predict onset of plating in graphite anode half-cells at high C-rates and demonstrate how anodes with layered porosities can delay plating. Simplified analytical models identify trends for plating onset and predictions are calibrated against numerical models. A calibrated numerical model of graphite demonstrates qualitative agreement with analytical model predictions. This reaction inhomogeneity mechanism occurs in the absence of lithium ion depletion, indicating that these mechanisms may contribute to capacity loss independently or simultaneously. A bilayer model of graphite exhibits delayed plating onset, and an optimization procedure is presented. This theoretical work presents quantitative and mechanistic insight on how reaction inhomogenity affects lithium metal plating onset and can be used as a guide to engineer anodes resistant to lithium plating.
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