Next-generation lithium-ion batteries with silicon anodes have positive characteristics due to higher energy densities compared to state-of-the-art graphite anodes. However, the large volume expansion of silicon anodes can cause high mechanical stresses, especially if the battery active particle cannot expand freely. In this article, a thermodynamically consistent continuum model for coupling chemical and mechanical effects of electrode particles is extended by a change in the boundary condition for the displacement via a variational inequality. This switch represents a limited enlargement of the particle swelling or shrinking due to lithium intercalation or deintercalation in the host material, respectively. For inequality constraints as boundary condition a smaller time step size is need as well as a locally finer mesh. The combination of a primal-dual active set algorithm, interpreted as semismooth Newton method, and a spatial and temporal adaptive algorithm allows the efficient numerical investigation based on a finite element method. Using the example of silicon, the chemical and mechanical behavior of one- and two-dimensional representative geometries for a charge-discharge cycle is investigated. Furthermore, the efficiency of the adaptive algorithm is demonstrated. It turns out that the size of the gap has an significant influence on the maximal stress value and the slope of the increase. Especially in two dimension, the obstacle can cause an additional region with a lithium-poor phase.


翻译:使用硅阳极的下一代锂离子电池与硅阳极相比,由于与最先进的石墨阳极相比,能量密度较高,其特性是积极的。然而,硅阳极的大规模膨胀可能会造成高机械压力,特别是如果电池活性粒子无法自由扩展。在本条中,电极粒子化学和机械效果混合的热动力一致连续模型通过变异性不平等改变迁移的边界条件而扩展。这一开关表明粒子的膨胀或缩缩的幅度有限,这分别是由于主机材料的锂间化或脱色造成的。由于边界条件更小的时序尺寸以及局部的细微网状,因此不平等的限制因素是必要的。将原始-双向活性算法(解释为半mooth Newton法)和空间和时间适应性算法的组合使得基于有限元素方法的有效数字调查得以扩展。以硅为例,一维和二维代代代表的地球定形结构的膨胀或变相周期的化学和机械行为。此外,由于边界条件的缩小,因此需要有一个巨大的伸缩阶段,因此,一个伸缩性演变的极限。

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