Optimized Particle Porosity to Alleviate Diffusion-Induced Stresses in High-Capacity Electrodes

多孔性 材料科学 多孔硅 复合材料 体积热力学 粒子(生态学) 压力(语言学) 电极 半径 锂(药物) 多孔介质 电池(电) 体积膨胀 粒径 联轴节(管道) 有效应力 阳极
作者
Shaunak Amarendra Joshi,Hamdi A. Tchelepi,Daniel M. Tartakovsky
出处
期刊:Journal of The Electrochemical Society [Institute of Physics]
卷期号:172 (12): 120531-120531
标识
DOI:10.1149/1945-7111/ae2f2f
摘要

Electrode materials like silicon offer the potential to increase the capacity of lithium-ion batteries by an order of magnitude. However, their widespread adoption is hindered by substantial volume changes during lithium insertion and extraction, which leads to mechanical degradation and capacity fade. Experimental studies suggest that replacing solid silicon particles with their porous counterparts might reduce the volume expansion. To explain this phenomenon, we develop a chemo-mechanical model for porous silicon-anode particles. The model utilizes the theory of mixtures and finite-deformation theory to capture the diffusion-strain coupling behavior of porous particles. It demonstrates the effects of porosity on reducing stress evolution and volume changes over time. Specifically, a particle with initial radius of 500 nm and porosity of 0.2 would reduce stress by 30% and volume expansion by 13%; initial porosity of 0.5 would reduce stress and volume expansion by 70% and 36%, respectively. Our investigation of the parameter space under galvanostatic and potentiostatic operating conditions predicts the existence of a critical porosity value, about 68%, above which silicon particles of all sizes are mechanically stable. These findings suggest that our model can be deployed in optimal design of porous silicon structures for next-generation lithium-ion battery electrodes.

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