Electrode particle cracking is one of the main phenomena driving battery capacity degradation. Recent phase field fracture studies have investigated particle cracking behaviour. However, only the beginning of life has been considered and effects such as damage accumulation have been neglected. Here, a multi-physics phase field fatigue model has been developed to study crack propagation in battery electrode particles undergoing hundreds of cycles. In addition, we couple our electrochemo-mechanical formulation with X-ray CT imaging to simulate fatigue cracking of realistic particle microstructures. Using this modelling framework, non-linear crack propagation behaviour is predicted, leading to the observation of an exponential increase in cracked area with cycle number. Three stages of crack growth (slow, accelerating and unstable) are observed, with phenomena such as crack initialisation at concave regions and crack coalescence having a significant contribution to the resulting fatigue crack growth rates. The critical values of C-rate, particle size and initial crack length are determined, and found to be lower than those reported in the literature using static fracture models. Therefore, this work demonstrates the importance of considering fatigue damage in battery degradation models and provides insights on the control of fatigue crack propagation to alleviate battery capacity degradation.


翻译:电极粒子裂解是导致电池能力退化的主要现象之一。最近阶段的实地断裂研究对粒子裂解行为进行了调查。然而,只考虑了生命的开始,忽略了损害积累等影响。在这里,开发了一个多物理阶段田内疲劳模型,以研究电池电极粒子在数百个循环周期中的裂变。此外,我们将我们的电化学-机械配方与X射线成像与X射线成像相配,以模拟现实粒子微结构的疲劳裂裂。利用这个建模框架,预测了非线性裂变传播行为,从而观测出周期数破碎地区的急剧增加。观察到了三个裂变生长阶段(缓慢、加速和不稳定),三个阶段的裂变生长阶段,如在凝固地区爆发裂变和裂变煤,对由此产生的疲劳变生长速度有重大贡献。C-rate、粒子大小和最初裂变速长度的关键值已经确定,并低于文献中使用静裂变模型所报告的数值。因此,这项工作表明在电池降解模型中考虑疲劳损害的重要性,并提供了关于控制裂变压变化能力的分析。

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