Phase transformation and fracture in single Li x FePO 4 cathode particles: a phase-field approach to Li–ion intercalation and fracture

材料科学 插层(化学) 阴极 断裂(地质) 相(物质) 离子 单相 领域(数学) 转化(遗传学) 结晶学 复合材料 无机化学 物理化学 电气工程 物理 基因 工程类 量子力学 生物化学 化学 数学 纯数学
作者
Devin Thomas O'Connor,Michael Joshua Welland,Wing Kam Liu,Peter W. Voorhees
出处
期刊:Modelling and Simulation in Materials Science and Engineering [IOP Publishing]
卷期号:24 (3): 035020-035020 被引量:33
标识
DOI:10.1088/0965-0393/24/3/035020
摘要

Abstract Modern Li–ion batteries with LiFePO 4 cathodes have been shown to be low cost, non-toxic, have a high theoretical capacity, and high (dis)charging rates. Although LiFePO 4 has advantageous properties for electrical energy storage, it can lose some of its charging capacity when cycled. Researchers have found cracks that develop in LiFePO 4 cathode particles during cycling, and it has been suggested that this is the main cause of the capacity loss. The work presented here develops a multi-physics computational model to investigate the possible causes of fracture in single LiFePO 4 particles. The model combines the recently developed reaction-limited phase-field model for Li–ion intercalation with the phase-field model for brittle fracture. We use our numerical model to simulate single LiFePO 4 cathode particles during galvanostatic discharging as well as under no charging. It was found that because of the phase transformation and two-phase coexistence of LiFePO 4 , cracks were able to grow due to large stresses at coherent phase boundaries. Phase nucleation at particle side facets was also examined and we show that pre-cracks grow that follow the high stresses at the coherent interface during charging.
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