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Shape Matters: Understanding the Effect of Electrode Geometry on Cell Resistance and Chemo-Mechanical Stress

电极 材料科学 压力(语言学) 复合材料 几何学 化学 数学 语言学 哲学 物理化学
作者
Tiras Y. Lin,Hanyu Li,Nicholas W. Brady,Nicholas R. Cross,Victoria M. Ehlinger,Thomas Roy,Daniel A. Tortorelli,Christine A. Orme,Marcus A. Worsley,Giovanna Bucci
出处
期刊:Journal of The Electrochemical Society [Institute of Physics]
卷期号:171 (10): 100515-100515 被引量:2
标识
DOI:10.1149/1945-7111/ad81b4
摘要

Rechargeable batteries that incorporate shaped three-dimensional electrodes have been shown to have increased power and energy densities when compared to a conventional geometry, i.e. a planar cathode and anode that sandwich an electrolyte. Electrodes can be shaped to enable a higher active material loading, while keeping ion transport distances small. However, the relationship between electrical and mechanical performance of shaped electrodes remains poorly understood. Many electrode designs have been explored, where the electrodes are individually shaped or intertwined, and advances in manufacturing and shape/topology optimization have made such designs a reality. Here, we explore sinusoidal half cells and interdigitated full cells. First, we use a simple electrostatics model to understand the cell resistance as a function of shape. We focus on low-temperature conditions, where the electrolyte conductivity decreases relative to that of the electrode; here, LiPF 6 EC:DMC electrolyte and MnO 2 electrode are considered. Next, we use a chemo-mechanics model to examine the stress that arises due to intercalation-driven volume expansion. We show that shaped electrodes provide a significant reduction in resistance in low-temperature conditions, however, they exhibit unfavorable stress concentrations. Overall, we find that the fully interdigitated electrodes may provide the best balance with respect to this resistance-stress trade-off.

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