Communication Dans Un Congrès Année : 2022

Simulations numériques des conséquences mécaniques de la lithiation de particules de silicium dans une batterie lithium ions

Résumé

This work presents the modeling of the mechanical-chemical coupling of silicon particles. They are used in lithium-ion batteries in order to improve significantly their capacity. The model presented here describes the particle during lithiation as a two-phase viscoplastic composite separated by a front. Taking advantage of the spherical symmetry of this problem (spherical front, isotropic properties), a semi-analytical solution inspired by previous works is proposed. This model which allows to represent the viscoplastic flow of the lithiated shell is compared for verification to previous results obtained by [2] in a simplified case (no effect of the lithiation on the elastic properties which are then homogeneous in the particle). However, we highlight the importance of taking into account the variation of the elastic properties with lithiation on the evolution of the stresses in the particle and especially in the particle core. This is an important aspect for later comparisons with the experimental results [3]. We also find the effect of the viscoplasticity of the shell on the evolution of the stresses, with a compression of the core and a traction of the periphery (pushing-out effect).

Ce travail présente la modélisation du couplage mécanique-chimique des particules de silicium utilisées dans les batteries lithium-ion, pour en augmenter significativement leur capacité. Le modèle présenté ici décrit la particule en cours de lithiation comme un matériau biphasé constitué de deux phases viscoplastiques séparés par un front. Profitant de la symétrie sphérique de ce problème (front sphérique, propriétés isotropes), une solution semi-analytique inspirée de travaux précédents [1] est proposée. Ce modèle qui permet de représenter l’écoulement viscoplastique de la coquille lithiée est comparé pour vérification à des résultats antérieurs obtenus par [2] dans un cas simplifiée (pas d’effet de la lithiation sur les propriétés élastiques qui sont alors constantes dans la particule). Nous mettons cependant en évidence l’importance de la prise en compte des variations des propriétés élastiques avec la lithiation sur l’évolution des contraintes dans la particule et tout particulièrement au centre des particules, point important pour des comparaisons ultérieures aux résultats expérimentaux [3]. On retrouve par ailleurs l’effet de la viscoplasticité de la coquille sur l’évolution des contraintes, avec une mise en compression du cœur et une mise en traction de la périphérie (pushing-out effect).

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hal-04281721 , version 1 (13-11-2023)

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  • HAL Id : hal-04281721 , version 1

Citer

Guilherme Dalevedo Viana, Renaud Masson, Bruno Michel, Benoit Mathieu, Mihail Garajeu. Simulations numériques des conséquences mécaniques de la lithiation de particules de silicium dans une batterie lithium ions. 25e Congrès Français de Mécanique, Aug 2022, Nantes, France. ⟨hal-04281721⟩
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