Modeling of diffusion-induced stress in a lithium ion battery using isogeometric analysis

Abstract

El desarrollo de baterías de litio de alta potencia es la piedra de tope para el surgimiento de vehículos eléctricos económicos y autónomos, así como para el almacenamiento de electricidad producida por fuentes renovables intermitentes. El principal desafío es la presencia de niveles de deformación y esfuerzo demasiado altos en las zonas activas de los electrodos, a causa del proceso cíclico de intercalación de litio durante la carga y la descarga, llegando incluso a producirse deformación plástica, nucleación de grietas, y fracturas, limitando la vida útil de las baterías. Modelar el fenómeno de la intercalación de litio es complejo, pues los gradientes químicos inducen campos de esfuerzos y, a su vez, los esfuerzos favorecen o dificultan la difusión química a través de la microestructura. Existen modelos que involucran la cinética molecular y la deformación de la microestructura del electrodo. Otros modelos continuos, más sencillos y más fáciles de implementar, han permitido resolver las ecuaciones diferenciales acopladas que dan cuenta del balance termodinámico del sólido involucrado. La mayoría de los modelos están restringidos a geometrías unidimensionales o muy simples. El objetivo de este trabajo es extender el uso de modelos continuos existentes a dos dimensiones, y resolver numéricamente, mediante el análisis isogeométrico, un sistema de ecuaciones diferenciales y acopladas. Con este procedimiento, se espera caracterizar la distribución de esfuerzos y concentratión en una partícula de electrodo de batería, y obtener los niveles de concentración de esfuerzos alrededor de los vacíos y las discontinuidades.