Modeling the Effects of Electrode Microstructural Heterogeneities on Li-Ion Battery Performance and Lifetime
Source abstract
Abstract
Local variations of mechanical, structural, transport, and kinetic properties, referred to as heterogeneity can detrimentally affect battery life and performance. Local heterogeneity results in non-uniform current, temperature, state of charge (SOC), and aging. In this work, we introduce a model that combines Newman-type and equivalent circuit submodels to further understand and quantify the effects of electrode inhomogeneities. For modeling purposes, three regions of different microstructural properties are connected in parallel, to represent measured electrode heterogeneity. Multiple cases of heterogeneities, such as non-uniform ionic resistance and active material loading, are studied at different rates of discharge and charge. The results show that higher rates increase non-uniformities of dependent properties such as temperature, current density, positive and negative electrode states of charge, and charge and discharge capacities, especially in the case of charging. In addition, by calculating the overpotential on the negative electrode, it is shown that lithium could plate non-uniformly on the negative electrode during high rates of charge. Finally, a sensitivity analysis is performed to understand the significance of heterogeneity on different properties.
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Research context
OpenAlex topics: Advanced Battery Technologies Research · Advancements in Battery Materials · Advanced Battery Materials and Technologies
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References (100+)
Show source-provided references
1. 10.1016/j.jpowsour.2012.10.06010.1016/j.jpowsour.2012.10.060 ↗
2. 10.1016/j.carbon.2016.10.00810.1016/j.carbon.2016.10.008 ↗
3. 10.1016/j.jpowsour.2005.01.00610.1016/j.jpowsour.2005.01.006 ↗
4. 10.1002/er.376210.1002/er.3762 ↗
5. 10.1016/j.jpowsour.2013.05.04010.1016/j.jpowsour.2013.05.040 ↗
6. 10.1016/j.coche.2016.08.00810.1016/j.coche.2016.08.008 ↗
7. 10.1016/j.jpowsour.2015.07.10010.1016/j.jpowsour.2015.07.100 ↗
8. 10.1016/j.trb.2017.01.02010.1016/j.trb.2017.01.020 ↗
9. 10.1149/2.0321712jes10.1149/2.0321712jes ↗
10. 10.1021/jp411101910.1021/jp4111019 ↗
11. 10.1016/j.electacta.2012.12.06910.1016/j.electacta.2012.12.069 ↗
12. Xing J. Vora A. P. Hoshing V. Saha T. Shaver G. M. García R. E. Wasynczuk O. Varigonda S. , in “2017 American Control Conference (ACC)”, p. 80, 2017.10.23919/ACC.2017.7962934 ↗
13. 10.1016/j.jpowsour.2015.03.03910.1016/j.jpowsour.2015.03.039 ↗
14. 10.1016/j.jpowsour.2013.12.14410.1016/j.jpowsour.2013.12.144 ↗
15. 10.1016/j.jpowsour.2012.05.00410.1016/j.jpowsour.2012.05.004 ↗
16. 10.1016/j.jpowsour.2015.06.01410.1016/j.jpowsour.2015.06.014 ↗
17. 10.1016/j.jpowsour.2013.03.14110.1016/j.jpowsour.2013.03.141 ↗
18. 10.1021/jacs.6b0288210.1021/jacs.6b02882 ↗
19. 10.1016/j.jpowsour.2016.12.01110.1016/j.jpowsour.2016.12.011 ↗
20. 10.1016/j.jpowsour.2015.09.03310.1016/j.jpowsour.2015.09.033 ↗
21. 10.1021/acsenergylett.6b0028410.1021/acsenergylett.6b00284 ↗
22. 10.1149/1.329479010.1149/1.3294790 ↗
23. 10.1016/j.jpowsour.2014.07.00110.1016/j.jpowsour.2014.07.001 ↗
24. 10.1021/am500671e10.1021/am500671e ↗
25. 10.1002/nme.513310.1002/nme.5133 ↗
26. 10.1088/0965-0393/24/3/03502010.1088/0965-0393/24/3/035020 ↗
27. 10.1039/C5TA04151A10.1039/C5TA04151A ↗
28. 10.1016/j.jpowsour.2014.07.16810.1016/j.jpowsour.2014.07.168 ↗
29. 10.1016/j.jpowsour.2013.12.02210.1016/j.jpowsour.2013.12.022 ↗
30. 10.1149/1.206897810.1149/1.2068978 ↗
31. 10.1149/2.1081706jes10.1149/2.1081706jes ↗
32. 10.1016/j.jpowsour.2014.03.11210.1016/j.jpowsour.2014.03.112 ↗
33. 10.1149/2.0711614jes10.1149/2.0711614jes ↗
34. 10.1016/j.jpowsour.2003.09.03410.1016/j.jpowsour.2003.09.034 ↗
35. 10.1016/j.electacta.2007.10.00910.1016/j.electacta.2007.10.009 ↗
36. 10.1016/j.apenergy.2013.09.00310.1016/j.apenergy.2013.09.003 ↗
37. 10.1016/S0378-7753(02)00474-310.1016/S0378-7753(02)00474-3 ↗
38. 10.1016/j.jpowsour.2006.06.04010.1016/j.jpowsour.2006.06.040 ↗
39. 10.1016/j.jpowsour.2016.04.14010.1016/j.jpowsour.2016.04.140 ↗
40. 10.1016/j.jpowsour.2013.03.04410.1016/j.jpowsour.2013.03.044 ↗
41. 10.1016/j.energy.2016.12.11010.1016/j.energy.2016.12.110 ↗
42. 10.1021/jp311431z10.1021/jp311431z ↗
43. 10.1149/2.079112jes10.1149/2.079112jes ↗
44. 10.1016/j.jpowsour.2016.12.08310.1016/j.jpowsour.2016.12.083 ↗
45. 10.1149/2.1051507jes10.1149/2.1051507jes ↗
46. 10.1002/adfm.20110015710.1002/adfm.201100157 ↗
47. 10.1021/jz100634n10.1021/jz100634n ↗
48. 10.1149/1.297969610.1149/1.2979696 ↗
49. 10.1016/j.jpowsour.2013.11.10110.1016/j.jpowsour.2013.11.101 ↗
50. 10.1109/TCST.2003.81560610.1109/TCST.2003.815606 ↗
51. 10.1109/TVT.2010.208964710.1109/TVT.2010.2089647 ↗
52. Dai H. Sun Z. Wei X. , in “2006 IEEE International Conference on Vehicular Electronics and Safety”, p. 342, 2006.10.1109/ICVES.2006.371612 ↗
53. 10.1016/j.jpowsour.2013.09.14310.1016/j.jpowsour.2013.09.143 ↗
54. 10.1016/j.jpowsour.2013.01.06810.1016/j.jpowsour.2013.01.068 ↗
55. 10.1016/j.jpowsour.2006.03.04310.1016/j.jpowsour.2006.03.043 ↗
56. 10.1016/S0378-7753(03)00250-710.1016/S0378-7753(03)00250-7 ↗
57. Nanjundaswamy · Energy Conversion Engineering Conference, 1997. IECEC-97., Proceedings of the 32nd Intersociety · 1997 · 1 41 · 42
58. 10.1016/j.jpowsour.2013.04.15610.1016/j.jpowsour.2013.04.156 ↗
59. 10.1016/j.elecom.2009.12.03810.1016/j.elecom.2009.12.038 ↗
60. 10.1016/j.jpowsour.2013.10.02610.1016/j.jpowsour.2013.10.026 ↗
61. Forouzan · Meeting Abstracts · 2018 · MA2018-01 · 36310.1149/MA2018-01/3/363 ↗
62. 10.1016/j.jpowsour.2016.02.01410.1016/j.jpowsour.2016.02.014 ↗
63. 10.1149/1.164923210.1149/1.1649232 ↗
64. 10.1016/S0378-7753(03)00282-910.1016/S0378-7753(03)00282-9 ↗
65. 10.1149/1.183692110.1149/1.1836921 ↗
66. 10.1149/1.278377210.1149/1.2783772 ↗
67. 10.1016/j.jpowsour.2008.12.03210.1016/j.jpowsour.2008.12.032 ↗
68. 10.1016/j.electacta.2012.10.10410.1016/j.electacta.2012.10.104 ↗
69. Forouzan · Meeting Abstracts · 2015 · MA2015-01 · 179810.1149/MA2015-01/31/1798 ↗
70. Forouzan · Meeting Abstracts · 2016 · MA2016-02 · 27110.1149/MA2016-02/3/271 ↗
71. Forouzan M. M. Robertson L. Wray M. Wheeler D. , in “Meeting Abstracts”, p. 21. The Electrochemical Society, 2015.10.1149/MA2015-01/1/21 ↗
72. 10.1149/2.0011709jes10.1149/2.0011709jes ↗
73. 10.1149/2.046304jes10.1149/2.046304jes ↗
74. 10.1016/j.electacta.2015.10.08610.1016/j.electacta.2015.10.086 ↗
75. 10.1016/j.jpowsour.2013.11.05910.1016/j.jpowsour.2013.11.059 ↗
76. 10.1016/j.jpowsour.2016.12.11010.1016/j.jpowsour.2016.12.110 ↗
77. 10.1016/j.jpowsour.2014.11.03510.1016/j.jpowsour.2014.11.035 ↗
78. 10.1016/j.jpowsour.2016.10.01010.1016/j.jpowsour.2016.10.010 ↗
79. 10.1016/j.electacta.2006.07.03610.1016/j.electacta.2006.07.036 ↗
80. 10.1016/j.jpowsour.2013.05.17910.1016/j.jpowsour.2013.05.179 ↗
81. 10.1016/j.jpowsour.2016.01.00110.1016/j.jpowsour.2016.01.001 ↗
82. 10.1149/1.222159710.1149/1.2221597 ↗
83. 10.1016/j.jpowsour.2014.08.08910.1016/j.jpowsour.2014.08.089 ↗
84. 10.1016/j.jpowsour.2016.07.03610.1016/j.jpowsour.2016.07.036 ↗
85. Newman J. Thomas-Alyea K. E. , Electrochemical systems, John Wiley & Sons (2012).
86. 10.1149/2.0171711jes10.1149/2.0171711jes ↗
87. 10.1149/1.183837610.1149/1.1838376 ↗
88. 10.1016/0013-4686(95)00162-810.1016/0013-4686(95)00162-8 ↗
89. 10.1149/1.158630110.1149/1.1586301 ↗
90. 10.1149/2.0141711jes10.1149/2.0141711jes ↗
91. 10.1149/2.0191614jes10.1149/2.0191614jes ↗
92. 10.1016/j.enconman.2007.03.01510.1016/j.enconman.2007.03.015 ↗
93. 10.1149/1.139264310.1149/1.1392643 ↗
94. 10.1149/1.205468410.1149/1.2054684 ↗
95. 10.1149/2.0291607jes10.1149/2.0291607jes ↗
96. 10.1016/j.electacta.2015.06.01510.1016/j.electacta.2015.06.015 ↗
97. 10.1149/2.058112jes10.1149/2.058112jes ↗
98. 10.1016/j.jpowsour.2011.03.01710.1016/j.jpowsour.2011.03.017 ↗
99. 10.1016/j.jpowsour.2012.09.08410.1016/j.jpowsour.2012.09.084 ↗
100. 10.1016/j.jpowsour.2010.06.10710.1016/j.jpowsour.2010.06.107 ↗