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A 3D battery model incorporating Si particle expansion induced electrolyte motion

Boveleth, Lioba und Okraschevski, Max und Danner, Timo und Latz, Arnulf (2025) A 3D battery model incorporating Si particle expansion induced electrolyte motion. Journal of Energy Storage, 141, Seite 119206. Elsevier. doi: 10.1016/j.est.2025.119206. ISSN 2352-152X.

[img] PDF - Verlagsversion (veröffentlichte Fassung)
2MB

Offizielle URL: https://doi.org/10.1016/j.est.2025.119206

Kurzfassung

Silicon is frequently used as active material in the negative electrode of Lithium-ion batteries as it provides substantial improvements in the energy density compared to conventional graphite electrodes. Due to large volume changes during cycling, the Si content in state-of-the-art Si/graphite composite electrodes is often rather low. As significantly higher Si contents are desirable, the effects of structural changes that influence ion and electron transport and, thus, battery performance and degradation have to be analyzed. An aspect which is often overlooked is the displacement of electrolyte into the void regions of the cells. In our work, we developed a homogenized electrochemical model of Li-ion batteries including single phase flow through the porous electrode media to account for electrolyte motion. The considered Darcy flow is generated by the change in active material volume during battery operation. In our studies, we keep track of the amount of displaced electrolyte and the Li concentration therein. Considering different material compositions and cell designs highlights that the ratio of anode and cathode thickness and permeability are the dominant parameters determining the Li concentration in the displaced electrolyte volume. The difference between inner and displaced electrolyte Li concentration results in a concentration gradient in outflow direction. While the accumulation or depletion of local Li concentration favors degradation during prolonged cycling, our simulations show that this effect can be mitigated by tuning the permeability.

elib-URL des Eintrags:https://elib.dlr.de/220717/
Dokumentart:Zeitschriftenbeitrag
Titel:A 3D battery model incorporating Si particle expansion induced electrolyte motion
Autoren:
AutorenInstitution oder E-Mail-AdresseAutoren-ORCID-iDORCID Put Code
Boveleth, LiobaNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Okraschevski, Maxmax.okraschevski (at) dlr.dehttps://orcid.org/0000-0001-8296-7327199784548
Danner, TimoTimo.Danner (at) dlr.dehttps://orcid.org/0000-0003-2336-6059NICHT SPEZIFIZIERT
Latz, ArnulfArnulf.Latz (at) dlr.deNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Datum:1 November 2025
Erschienen in:Journal of Energy Storage
Referierte Publikation:Ja
Open Access:Ja
Gold Open Access:Nein
In SCOPUS:Ja
In ISI Web of Science:Ja
Band:141
DOI:10.1016/j.est.2025.119206
Seitenbereich:Seite 119206
Verlag:Elsevier
ISSN:2352-152X
Status:veröffentlicht
Stichwörter:Lithium-ion battery, Silicon-graphite, Large volume expansion, Electrolyte flow, Volume-averaged model, Discontinuous Galerkin
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: Okraschevski, Max
Hinterlegt am:15 Dez 2025 16:01
Letzte Änderung:16 Dez 2025 14:07

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