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Microstructure-resolved modelling of solid-state batteries: The importance of anisotropy and secondary phases in the composite cathode

Clausnitzer, Moritz und Hein, Simon und Mücke, Robert und Cressa, Luca und Ihrig, Martin und Finsterbusch, Martin und Danner, Timo und Latz, Arnulf (2022) Microstructure-resolved modelling of solid-state batteries: The importance of anisotropy and secondary phases in the composite cathode. Modval 2022, 2022-03-14 - 2022-03-16, Hohenkammer, Deutschland.

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Kurzfassung

All-solid-state batteries are being considered to play an important role in future battery systems due to an increased safety in operation and the possible deployment of Li-metal at the anode of the cell. A promising candidate for the solid electrolyte is the garnet-type oxide LLZO, which shows a high stability towards Li-metal while providing a high ionic conductivity. However, thermal and electrochemical induced degradation of the electrolyte and active material in the composite cathode can lead to the formation of secondary phases, which hinder the lithiation of the active material and limit the cell performance. The optimization of the composite cathode is further complicated by the existence of grain boundaries in the electrolyte and anisotropic properties of the often- deployed layered oxides, which may show a preferential crystallographic orientation in the microstructure. In this contribution we investigate the influence of secondary phase formation and anisotropy of the cathode active material on the battery performance by continuum-modelling and simulation. By including an interface model in our simulation environment, we determine the limiting effect of existing secondary phases on the cell performance. Furthermore, we include anisotropic transport parameters for the active material to account for the hindered Li-transport in the direction of the crystallographic c-axis. Our results show a strong reduction of battery capacity due to secondary phases forming in the composite cathode. The slow Li-diffusion at the interface between active material and electrolyte results in an increasing blocking of the active material which could explain the small measured capacities at room temperature. While the anisotropic properties of the active material play a minor role for homogeneous composite cathodes with moderate active material fractions, there is a stronger effect when considering inhomogeneous microstructures. Longer diffusion paths resulting from an unfavourable particle orientation hinder the Lithiation of the active material and cause smaller capacities.

elib-URL des Eintrags:https://elib.dlr.de/192348/
Dokumentart:Konferenzbeitrag (Vortrag)
Titel:Microstructure-resolved modelling of solid-state batteries: The importance of anisotropy and secondary phases in the composite cathode
Autoren:
AutorenInstitution oder E-Mail-AdresseAutoren-ORCID-iDORCID Put Code
Clausnitzer, Moritzmoritz.clausnitzer (at) dlr.deNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Hein, SimonSimon.Hein (at) dlr.dehttps://orcid.org/0000-0002-6728-9983NICHT SPEZIFIZIERT
Mücke, Robertr.muecke (at) fz-juelich.deNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Cressa, Lucaluca.cressa (at) list.luNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Ihrig, Martinm.ihrig (at) fz-juelich.dehttps://orcid.org/0000-0002-3616-7473NICHT SPEZIFIZIERT
Finsterbusch, Martinm.finsterbusch (at) fz-juelich.dehttps://orcid.org/0000-0001-7027-7636NICHT SPEZIFIZIERT
Danner, TimoTimo.Danner (at) dlr.dehttps://orcid.org/0000-0003-2336-6059NICHT SPEZIFIZIERT
Latz, Arnulfarnulf.latz (at) dlr.dehttps://orcid.org/0000-0003-1449-8172NICHT SPEZIFIZIERT
Datum:2022
Referierte Publikation:Ja
Open Access:Nein
Gold Open Access:Nein
In SCOPUS:Nein
In ISI Web of Science:Nein
Status:veröffentlicht
Stichwörter:Continuum modelling, solid-state batteries, composite cathode, secondary phases, anisotropy.
Veranstaltungstitel:Modval 2022
Veranstaltungsort:Hohenkammer, Deutschland
Veranstaltungsart:nationale Konferenz
Veranstaltungsbeginn:14 März 2022
Veranstaltungsende:16 März 2022
HGF - Forschungsbereich:Energie
HGF - Programm:Materialien und Technologien für die Energiewende
HGF - Programmthema:Elektrochemische Energiespeicherung
DLR - Schwerpunkt:Energie
DLR - Forschungsgebiet:E SP - Energiespeicher
DLR - Teilgebiet (Projekt, Vorhaben):E - Elektrochemische Speicher
Standort: Ulm
Institute & Einrichtungen:Institut für Technische Thermodynamik > Computergestützte Elektrochemie
Hinterlegt von: Clausnitzer, Moritz
Hinterlegt am:15 Dez 2022 11:07
Letzte Änderung:10 Jul 2024 12:18

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