Open this publication in new window or tab >>2023 (English)Doctoral thesis, comprehensive summary (Other academic)
Abstract [en]
Over the last few decades, rechargeable lithium-ion batteries have been extensively used in portable instruments due to their high energy density and low self-discharge rate. Recently, lithium-ion batteries have emerged as the most promising candidate for electric vehicles and stationary energy storage. However, the maximum energy that lithium-ion batteries store decreases as they are used because of various irreversible degradation mechanisms. The mechanical properties of the electrode layers inside the battery highly influence the battery's performance. There is, however, a fundamental lack of understanding of the mechanical properties of electrodes and how they evolve during electrochemical cycling, which makes it a necessity to characterize their mechanical behavior for mesoscopic and macroscopic level modeling. Lithium-ion batteries are complex systems to understand, and various processes and their interactions make battery modeling challenging. This thesis contributes to understanding the mechanical behavior of electrodes in lithium-ion batteries and provides methods for the design and efficient modeling of battery systems.
In Paper A and Paper B, the macroscopic mechanical behavior of active layers in the electrodes is investigated using U-shape bending tests. The active layers are porous and a different tensile and compressive behavior is captured by performing tests on single side coated dry electrodes. The experiments reveal that the active layer is stiffer in compression as compared to tension. The compressive stiffness increases with bending strain whereas the tensile stiffness is almost independent of the bending strain. A very low value of modulus of the active layer (1-5 GPa) is measured in comparison to the metal foils (70-110 GPa) and the active particles (50-200 GPa) which shows that the electrode properties are governed majorly by the binders present in the active layers. The time-dependent and hysteresis effects are also captured by the method which circumvents the flaws of many other test methods presented in the literature.
Paper C focuses on characterizing the layer-level evolution of mechanical and electrochemical properties of a Ni-rich positive electrode during early-stage electrochemical cycling, along with complementary cross-section analyses to understand the relationship between macroscopic and microscopic changes. Macroscopic constitutive properties were measured using the U-shaped bending test method developed in papers A and B, which revealed that the compressive modulus was primarily influenced by the porous structure and binder properties. It decreased notably with electrolyte wetting but increased with cycling and aging. Electrochemical impedance spectra showed an increase in local resistance near the particle-electrolyte interface with early-stage aging, which was likely due to secondary particle grain separation and carbon black redistribution. Cross-section analyses reveal significant variations in particle properties between pristine and cycled samples, including particle swelling, compression of the binder phase, and increased particle contact, contributing to the rise in the elastic modulus of the porous layer during cycling.
In Paper D and Paper E, we present a multiscale homogenization method that couples mechanics and electrochemistry at the particle, electrode, and battery scales. The active materials of lithium-ion battery electrodes exhibit volume change during lithium intercalation or deintercalation. A lithium concentration gradient develops inside particles, as well as inside the active layer. The developed stress due to deformations further affects solid diffusion. We utilized models that have already been developed to couple particle and electrode layer levels. Electric vehicle battery packs consist of numerous battery modules, each of which includes multiple battery cells composed of electrode, separator, and current collector layers. A finite element model capable of capturing stresses at the layer level would need to be very large to account for all the details. The mechanical coupling between the electrode and the battery level is achieved by homogenization of the layered battery using three-dimensional laminate theory, which greatly reduces the number of finite elements required for stress simulations in batteries. After obtaining a homogenized solution, layer-level stresses can be determined in a post-processing step. The method accurately predicts stresses on various scales and captures the effects of external battery loadings, cycling rates, and mechanical parameters. The efficiency of the method is demonstrated by comparing it to detailed finite element computations. The simulations indicate that layer-wise stresses, such as pressure, can be predicted as functions of position and time, providing insights into the inhomogeneous aging state of the battery.
Abstract [sv]
Under de senaste decennierna har uppladdningsbara litiumjonbatterier använts flitigt i bärbara instrument på grund av deras höga energitäthet och låga självurladdningshastighet. Just nu ses en kraftig ökning av eldrivna fordon. Den maximala energin som litiumjonbatterier kan lagra minskar dock med tiden på grund av olika irreversibla nedbrytningsmekanismer. De mekaniska egenskaperna hos elektrodskikten inuti batteriet påverkar här i hög grad batteriets prestanda. Det finns dock en bristande kunskap om elektrodernas mekaniska egenskaper och hur de utvecklas under elektrokemisk cykling. Behovet av nya experimentella och teoretiska metoder för karaktärisering på mikro- och makroskalor är stort. Litiumjonbatterier är komplexa system att förstå, och olika processer och deras interaktioner gör batterimodellering utmanande. Denna avhandling bidrar till en ökad förståelse av elektrodernas mekaniska beteende i litiumjonbatterier. Även metoder för design och effektiv modellering av batterisystem presenteras.
I de bilagda rapporterna A och B undersöks det makroskopiska mekaniska beteendet hos aktiva skikt i elektroder med hjälp av böjprovning med U-formade provstavar. De aktiva skikten är porösa och skillnader i drag- och tryckbeteende fångas upp genom att utföra tester på ensidigt belagda torra elektroder. Experimenten visar att det aktiva lagret är styvare i kompression jämfört med dragning. Kompressionstyvheten ökar med töjningsnivån medan dragstyvheten är nästan oberoende av töjning. De uppmätta E-modulerna för det aktiva skiktet (1-5 GPa ) är låga i jämförelse med metallfolierna (70-110 GPa ) och de aktiva partiklarna (50-200 GPa ) vilket visar att elektrodegenskaperna huvudsakligen styrs av bindemedlen som finns i de aktiva skikten. Tidsberoende effekter och hystereser fångas också upp av den använda mätmetoden som även kringgår de begränsningar som alternativa testmetoder uppvisar.
I rapport C karakteriseras utvecklingen av mekaniska och elektrokemiska egenskaper som funktion av antalet laddningscykler i en positiv elektrod. För att bättre förstå orsaken till förändringar av egenskaper genomfördes parallella mikroskopiundersökningar. Makroskopiska konstitutiva egenskaper uppmättes med den böjprovningsmetod som utvecklades i rapporterna A och B. Resultaten visar att kompressionsmodulen främst påverkas av den porösa strukturen och bindemedlets egenskaper. Styvheten minskade märkbart efter vätning med elektrodvätska och därpå följande torkning. Med ökande antal laddningscykler ökade styvheten åter i jämförelse med denna referensnivå. Elektrokemiska impedansspektra visade på en ökning av lokal resistans nära partikel-elektrolytgränsytorna vid tidig åldring, vilket sannolikt berodde på sekundär kornseparation i elektrodpartiklarna samt omfördelning av kolpartiklar i bindemedlet. Mikroskopianalyser visade på betydande variationer i partikelegenskaper mellan virgina och cykliska prover. Förändringar i partikelstorlek och form kunde konstateras vilka kunde korreleras till utvecklingen av kompressionsstyvhet i den porösa elektroden.
I rapporterna D och E presenteras en flerskalig homogeniseringsmetod som kopplar mekanik och elektrokemi på partikel-, elektrod- och batteriskala. De aktiva materialen i litiumjonbatteriets elektroder uppvisar volymförändringar vid laddning och urladdning. En gradient i koncentrationen av litium utvecklas såväl inuti partiklar som inom elektrodskiktet under laddning eller urladdning. Dessa gradienter leder till mekaniska spänningar som i sin tur påverkar diffusionen av litium. För modellering av diffusion och därtill hörande litiumkoncentrationer applicerades är väl etablerad modell från litteraturen. Batteripaket för elfordon består av ett stort antal batterimoduler, som var och en innehåller flera battericeller vilka i sin tur består av många elektrod-, separator- och metallskikt. En finit elementmodell som kan fånga spänningar på skiktnivåer skulle behöva vara mycket stor för att ta hänsyn till alla variationer på små skalor. I rapporterna D och E utvecklas i stället en modell för homogenisering av det skiktade batteriet med hjälp av tredimensionell laminatteori. På detta sätt kan antalet frihetsgrader och därigenom beräkningskostnad för en finit elementmodell kraftigt reduceras. Baserat på en homogeniserad lösning kan spänningar på skiktnivå bestämmas i efterhand. Metoden förutsäger spänningar på olika skalor och fångar effekterna av laddningshastighet, extern mekanisk belastning och de ingående skiktens mekaniska egenskaper. Metodens effektivitet demonstreras genom att jämföra den med detaljerade finita elementberäkningar. Simuleringarna indikerar att skiktspänningar, såsom tryck, kan förutsägas som funktioner av position och tid, vilket ger insikter om åldrande i olika deler av ett batteri.
Place, publisher, year, edition, pages
Stockholm: KTH Royal Institute of Technology, 2023. p. xv, 34
Series
TRITA-SCI-FOU ; 2023:36
Keywords
lithium-ion batteries, mechanical characterization, multiscale modeling, homogenization
National Category
Applied Mechanics
Research subject
Solid Mechanics
Identifiers
urn:nbn:se:kth:diva-328999 (URN)978-91-8040-640-6 (ISBN)
Public defence
2023-09-08, Kollegiesalen, Brinellvägen 8, Stockholm, 10:00 (English)
Opponent
Supervisors
Note
QC 230620
2023-06-202023-06-142023-06-20Bibliographically approved