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Microstructure-Resolved Impedance Simulations for the Characterization of Li-Ion Battery Electrodes

Danner, Timo und Hein, Simon und Scurtu, Rares und Kremer, Lea und Hoffmann, Alice und Wohlfahrt-Mehrens, Marget und Westhoff, Daniel und Schmidt, Volker und Hilger, Andre und Manke, Ingo und Latz, Arnulf (2018) Microstructure-Resolved Impedance Simulations for the Characterization of Li-Ion Battery Electrodes. ModVal 15, 2018-04-12 - 2018-04-13, Aarau, Schweiz.

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Kurzfassung

Li-Ion batteries are commonly used in portable electronic devices and state-of-the-art electric vehicles due to their outstanding energy and power density. At high current densities, e.g. during fast charging, the transport of Li-ions in the electrolyte is decisive for the performance of the battery cell and optimized electrode designs are required to reduce mass transport limitations. In this respect the impedance of the porous electrode is a characteristic performance indicator and is commonly evaluated integrally with the help of equivalent circuit models. However, often the performance of the electrode is affected by local structural inhomogeneities due to compression in the calendering process or an unfavorable binder and/or carbon black distribution. For instance, it was found that harsh drying conditions cause binder migration to the electrode surface and consequently reduce the rate capability1. In this contribution we present simulated impedance spectra of Li-ion battery positive electrodes based on 3D microstructure-resolved simulations2 which allows us to study in detail the effect of local structural inhomogeneities on the electrode impedance and, thus, performance. NMC electrodes with different thickness and density were prepared and characterized electrochemically by galvanostatic cycling and electrochemical impedance spectroscopy. Impedance spectra were recorded on symmetrical cells3 which are especially advantageous for the characterization of electrode transport properties. Reconstructions of the electrodes were created with the help of synchrotron tomography and a 3D stochastic structure generator. The resulting microstructures are then input to microstructure-resolved electrochemical simulations. Impedance spectra of the symmetrical cells and half-cells with Li counter electrode were simulated with a potential step and current relaxation technique4. With the help of our simulations we are able to extract the contribution of the carbon black and binder network to the overall pore transport resistance by comparing our simulations to the experimental data. Additionally, we use different models for the spatial distribution of binder and carbon black to mimic different drying conditions and investigate the effect on the electrode impedance and cell performance.

elib-URL des Eintrags:https://elib.dlr.de/124645/
Dokumentart:Konferenzbeitrag (Vortrag)
Titel:Microstructure-Resolved Impedance Simulations for the Characterization of Li-Ion Battery Electrodes
Autoren:
AutorenInstitution oder E-Mail-AdresseAutoren-ORCID-iDORCID Put Code
Danner, Timotimo.danner (at) dlr.dehttps://orcid.org/0000-0003-2336-6059NICHT SPEZIFIZIERT
Hein, SimonSimon.Hein (at) dlr.dehttps://orcid.org/0000-0002-6728-9983NICHT SPEZIFIZIERT
Scurtu, RaresZSW UlmNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Kremer, LeaZSW UlmNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Hoffmann, AliceZSW UlmNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Wohlfahrt-Mehrens, MargetZSWNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Westhoff, DanielUniversity of UlmNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Schmidt, VolkerUniversity of UlmNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Hilger, AndreHZ BerlinNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Manke, IngoHZ BerlinNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Latz, Arnulfarnulf.latz (at) dlr.deNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Datum:12 April 2018
Referierte Publikation:Ja
Open Access:Ja
Gold Open Access:Nein
In SCOPUS:Nein
In ISI Web of Science:Nein
Status:veröffentlicht
Stichwörter:Li-Ion Battery, modeling, simulation, impedance, microstructure resolved
Veranstaltungstitel:ModVal 15
Veranstaltungsort:Aarau, Schweiz
Veranstaltungsart:internationale Konferenz
Veranstaltungsbeginn:12 April 2018
Veranstaltungsende:13 April 2018
HGF - Forschungsbereich:Energie
HGF - Programm:Speicher und vernetzte Infrastrukturen
HGF - Programmthema:Elektrochemische Energiespeicher
DLR - Schwerpunkt:Energie
DLR - Forschungsgebiet:E SP - Energiespeicher
DLR - Teilgebiet (Projekt, Vorhaben):E - Elektrochemische Prozesse (Batterien) (alt)
Standort: Stuttgart
Institute & Einrichtungen:Institut für Technische Thermodynamik > Computergestützte Elektrochemie
Hinterlegt von: Danner, Timo
Hinterlegt am:18 Dez 2018 15:23
Letzte Änderung:10 Jul 2024 12:17

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