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A multiphysics understanding of internal short circuit mechanisms in lithium-ion batteries upon mechanical stress abuse

多物理 材料科学 背景(考古学) 电池(电) 变形(气象学) 多尺度建模 锂离子电池 机制(生物学) 核工程 机械工程 计算机科学 复合材料 功率(物理) 结构工程 有限元法 工程类 物理 计算化学 古生物学 化学 生物 量子力学
作者
Xudong Duan,Huacui Wang,Yikai Jia,Lubing Wang,Binghe Liu,Jun Xu
出处
期刊:Energy Storage Materials [Elsevier BV]
卷期号:45: 667-679 被引量:105
标识
DOI:10.1016/j.ensm.2021.12.018
摘要

Lithium-ion batteries (LIBs) have played an increasingly dominant role in the current mobile society. Due to the risky safety testing procedure, ultra-rigorous demands of the testing facility, and complicated multiphysics nature of the safety issues, the lack of high-fidelity models to describe the safety behaviors of lithium-ion batteries upon abusive loading has significantly deferred the further application of LIBs. Herein, by assistance from the ex-situ observation using the X-ray Computed Tomography scanning technique and postmortem characterization of the battery samples, we reveal the formation process of various internal short circuit (ISC) modes upon abusive loading guiding our modeling. Strain-based and ISC mode-dependent criteria are first developed to establish the mechanical-electrical coupling relationship. Particularly, we establish a fully multiphysics-coupled model capable of identifying various ISC modes and describing the entire evolution process of the battery from the initial deformation to the final thermal runaway (TR) of the LIBs. The multiphysics model demonstrates a promising generalization in various SOC and loading situations. Finally, the multiphysics model is applied for 100% SOC of the LIB to reveal the evolution mechanism of deformation-different ISC modes-TR. Results highlight the power of computational modeling to understand the underlying mechanism of safety issues in energy storage systems in a broader context.
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