Analytical model for interlaminar stresses in unsymmetric laminates : a study of laminated structural batteries during Li-ion intercalation

The aim of this thesis is to develop a mechanical model to simulate the behavior of a structural battery cell during charging cycles. The cell can be modeled as a three layer laminate, composed of anode, separator and cathode. The layers expand and contract differently during the charging cycle, when Li-ions are transferred from the cathode to the anode. CLPT is used to obtain far field stresses and strains and an analytical method, based on Kassapoglou’s theory, is developed to evaluate the risk of delamination due to interlaminar stresses. Depending on the required and allowable stresses and strains, design recommendations are given for battery and mechanical actuators applications.

L’obiettivo della presente tesi è quello di sviluppare un modello meccanico per simulare il comportamento di una batteria strutturale durante cicli di carica e scarica. La cella è modellata come un laminato con tre layers: anodo, separatore e catodo. I layers si espandono e contraggono differentemente durante il ciclo di carica, quando gli ioni di Litio vengono trasferiti tra il catodo e l’anodo. La teoria classica della laminazione è usata per ottenere le tensioni e le deformazioni lontano dai bordi e dai vincoli. Un modello analitico basato sulla teoria di Kassapoglou è sviluppato e applicato per valutare il rischio di delaminazione a causa di tensioni interlaminari. Dipendentemente dalle tensioni e dalle deformazioni ammissibili, sono presentate alcune raccomandazioni per la progettazione di batterie strutturali e di possibili attuatori meccanici.