Revealing the mechanical behaviour and material micro-structure of graphite electrode coatings in lithium-ion batteries during lithiation

石墨 锂(药物) 电极 材料科学 离子 复合材料 化学 有机化学 物理化学 医学 内分泌学
作者
Detao Kong,Liang Fu,Qinghua Yang,Yaolong He,Hongjiu Hu
出处
期刊:Physical Chemistry Chemical Physics [Royal Society of Chemistry]
卷期号:27 (12): 6179-6192 被引量:7
标识
DOI:10.1039/d4cp04409f
摘要

Understanding the mechanical behaviour of graphite electrode coatings during lithiation is crucial for optimizing high-performance lithium-ion batteries. The first experiment reveals the elastoplastic response of liquid electrolyte-immersed graphite active particles bonded with sodium carboxymethyl cellulose and styrene butadiene rubber (CMC/SBR) across various states of charge (SOCs). Simultaneously, we have developed a phenomenological model to simulate the mechanical response of graphite-CMC/SBR composites during lithiation by tracking the evolution of mechanical properties within graphite particles and the composite's porosity. The results uncover that the graphite electrode coatings undergo significant elastic-plastic mechanical deformation and are strengthened and brittle due to active particle hardening and decreasing porosity in the lithiation process. Upon completion of lithiation, the graphite electrode coatings exhibit a twofold increase in ultimate stress and elastic modulus while microhardness quadruples. However, fracture elongation decreases by 60%. Furthermore, the lithiation process enhances the adhesion properties of the electrode coating. Importantly, our proposed model shows excellent agreement between the predicted tensile stress-strain curves and experimental data. Finally, we unveiled the influence of graphite electrode coating's plastic behaviour and liquid electrolyte on the mechanical integrity of the cylindrical battery structure.
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