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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 Latz, Arnulf (2018) Microstructure-Resolved Impedance Simulations for the Characterization of Li-Ion Battery Electrodes. IBPC - International Battery Production Conference, 2018-11, Braunschweig.

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Kurzfassung

The production of Li-Ion battery electrodes is a highly interconnected process and many parameters determine the functionality of the final battery cell. Therefore, characterization techniques are very important to monitor the quality of the electrodes and to analyze deviations in electrode performance. The impedance of the porous electrode is a characteristic performance indicator, relatively easy to measure, and the corresponding spectra provide a comprehensive overview of characteristic timescales of different processes. For a detailed analysis impedance spectra are 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 interpret impedance spectra of Li-ion battery positive electrodes with the help of 3D microstructure-resolved simulations2. This 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 generator4. The resulting microstructures are then input to microstructure-resolved electrochemical simulations. 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/124646/
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
Latz, Arnulfarnulf.latz (at) dlr.deNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Datum:November 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:IBPC - International Battery Production Conference
Veranstaltungsort:Braunschweig
Veranstaltungsart:internationale Konferenz
Veranstaltungsdatum:November 2018
HGF - Forschungsbereich:Luftfahrt, Raumfahrt und Verkehr
HGF - Programm:Verkehr
HGF - Programmthema:Verkehrssystem
DLR - Schwerpunkt:Verkehr
DLR - Forschungsgebiet:V VS - Verkehrssystem
DLR - Teilgebiet (Projekt, Vorhaben):V - Energie und Verkehr (alt)
Standort: Stuttgart
Institute & Einrichtungen:Institut für Technische Thermodynamik > Computergestützte Elektrochemie
Hinterlegt von: Danner, Timo
Hinterlegt am:18 Dez 2018 15:23
Letzte Änderung:24 Apr 2024 20:28

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