REACTIVE FLOW IN LARGE-DEFORMATION ELECTRODES OF LITHIUM-ION BATTERIES

电极 材料科学 压力(语言学) 锂(药物) 流量(数学) 磁滞 复合材料 机械 化学 凝聚态物理 物理化学 物理 语言学 医学 内分泌学 哲学
作者
Laurence Brassart,Zhigang Suo
出处
期刊:International Journal of Applied Mechanics [World Scientific]
卷期号:04 (03): 1250023-1250023 被引量:54
标识
DOI:10.1142/s1758825112500238
摘要

An electrode in a lithium-ion battery may undergo inelastic processes of two types: flow and reaction. Flow changes the shape of the electrode, preserves its composition and volume, and is driven by the deviatoric stress — a process similar to the plastic flow of a metal. By contrast, reaction changes the composition and volume of the electrode, and is driven by a combination of the mean stress and the chemical potential of lithium in the environment. Both flow and reaction are mediated by breaking and forming atomic bonds. Here we formulate a continuum theory of large-deformation electrodes by placing flow and reaction on the same footing. We treat flow and reaction as concurrent nonequilibrium processes, formulate a thermodynamic inequality and a rheological model, and couple the two processes through a chemomechanical flow rule. Within this theory, the driving force for reaction — the mean stress and the chemical potential — can stimulate flow in an electrode too brittle to flow under a mechanical load alone. For an electrode under vanishingly small stress and current, cyclic lithiation and delithiation can cause hysteresis in the voltage-concentration curve. For a thin-film electrode bonded on a substrate, cyclic lithiation and delithiation can cause hysteresis in both the voltage-concentration curve and the stress–concentration curve.
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