Phase-field simulations to determine lithium dendrite growth using temperature-dependent properties

Abstract

Li metal has been considered an interesting anode material for Li-ion batteries and future battery technologies owing to its high current density, low redox potential, and mass density. However, the commercialization of Li-metal-based batteries is limited owing to the formation of dendrites, which causes energy loss, mechanical instability, and short-circuit problems. Recently, primarily methods for preventing dendrite growth have been researched. However, it is necessary to investigate dendrite growth based on the temperature and applied overpotential of a battery. In this study, the relationship between the applied overpotential and the operating temperature on Li electrodeposition was analyzed by phase-field simulations of dendrite growth and the tortuosity of dendrites. It was found that the optimal operating temperature and the increase in dendrite growth depend on a gradual increase in the operating temperature and the applied overpotential in a half-cell. The half-cell was composed of a Li metal anode and 1 M LiPF6 in EC:DMC (1:1) (where EC is ethylene carbonate and DC is dimethyl carbonate) as the electrolyte. |Li metal 은 고에너지 밀도와 낮은 redox potential 에 의하여 Li-ion battery 및 미래 배터리 기술을 위하여 흥미로운 양극재료 이다. 이러한 장점에도 불구하고, Li metal 기반 배터리의 상업화는 배터리의 기계적 불안정성과 내부 단락으로 인하여 궁극적으로 에너지의 손실을 유발하는 수상 돌기의 형성에 의하여 방해 받고 있다. 최근 들어서, 수상 돌기의 성장을 억제하는 방법들이 집중적으로 연구되었다. 하지만, Li metal 에 적용되는 과 전위와 온도에 따른 수상 돌기의 성장에 대한 연구는 더 진행되어야 한다. 우리는 phase-field model 시뮬레이션을 이용하여서 인가 전압과 작동 온도가 Li 증착에 미치는 영향의 관계를 수상 돌기의 높이와 비틀림을 통하여 분석하였다. 우리는 인가 전압이 점진적으로 증가함에 따라 증가하는 Li metal의 양극과 1 M LiPF6 in EC:DMC (1:1) 로 구성된 half cell 에서 최적 작동 온도를 밝혀냈다.