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Elliptical Silicon Nanowire Covered by the SEI in a 2D Chemo-Mechanical Simulation

Schoof, Raphael und Köbbing, Lukas und Latz, Arnulf und Horstmann, Birger und Dörfler, Willy (2024) Elliptical Silicon Nanowire Covered by the SEI in a 2D Chemo-Mechanical Simulation. Batteries & Supercaps. Wiley. ISSN 2566-6223. (eingereichter Beitrag)

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Kurzfassung

Understanding the mechanical interplay between silicon anodes and their surrounding solid-electrolyte interphase (SEI) is essential to improve the next generation of lithium-ion batteries. We model and simulate a 2D elliptical silicon nanowire with SEI via a thermodynamically consistent chemo-mechanical continuum ansatz using a higher order finite element method in combination with a variable-step, variable-order time integration scheme. Considering a soft viscoplastic SEI for three half cycles, we see at the minor half-axis the largest stress magnitude at the silicon nanowire surface, leading to a concentration anomaly. This anomaly is caused by the shape of the nanowire itself and not by the SEI. Also for the tangential stress of the SEI, the largest stress magnitudes are at this point, which can lead to SEI fracture. However, for a stiff SEI, the largest stress magnitude inside the nanowire occurs at the major half-axis, causing a reduced concentration distribution in this area. The largest tangential stress of the SEI is still at the minor half-axis. In total, we demonstrate the importance of considering the mechanics of the anode and SEI in silicon anode simulations and encourage further numerical and model improvements.

elib-URL des Eintrags:https://elib.dlr.de/207758/
Dokumentart:Zeitschriftenbeitrag
Titel:Elliptical Silicon Nanowire Covered by the SEI in a 2D Chemo-Mechanical Simulation
Autoren:
AutorenInstitution oder E-Mail-AdresseAutoren-ORCID-iDORCID Put Code
Schoof, Raphaelraphael.schoof (at) kit.eduNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Köbbing, LukasLukas.Koebbing (at) dlr.dehttps://orcid.org/0000-0002-1806-6732170702675
Latz, ArnulfArnulf.Latz (at) dlr.deNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Horstmann, Birgerbirger.horstmann (at) dlr.dehttps://orcid.org/0000-0002-1500-0578170702676
Dörfler, Willywilly.doerfler (at) kit.eduNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Datum:2024
Erschienen in:Batteries & Supercaps
Referierte Publikation:Ja
Open Access:Ja
Gold Open Access:Nein
In SCOPUS:Ja
In ISI Web of Science:Ja
Verlag:Wiley
ISSN:2566-6223
Status:eingereichter Beitrag
Stichwörter:Silicon-SEI Mechanics, Lithium-Ion Batteries, Elliptical Geometry; Stress Distribution, Lithiation Characteristics
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, E - Elektrochemische Prozesse
Standort: Ulm
Institute & Einrichtungen:Institut für Technische Thermodynamik > Computergestützte Elektrochemie
Hinterlegt von: Köbbing, Lukas
Hinterlegt am:31 Okt 2024 14:27
Letzte Änderung:03 Dez 2024 16:56

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