Første teoretiske model for opladningscyklusydelse kunne revolutionere batteriforskningen

Et problem med batteriudvikling er at forstå, hvordan ydeevnen ændrer sig med alderen. Et godt kendskab til denne form for nedbrydning gør det muligt for forskere at afvise ineffektive designs tidligere og koncentrere sig om mere lovende.

Men ingen har udviklet en god teoretisk model for batterinedbrydning, så denne form for information skal indsamles fra eksperimenter, hvilket kan være en lang og dyr opgave. For eksempel nedbrydes nutidens lithium-ion-batterier over tusindvis af cyklusser.

Tilgængeligheden af ​​en enkel, men nøjagtig, matematisk model for kapacitetsudtoning og levetidsstatistikker kunne fremskynde batteriudvikling og kommercialisering betydeligt, siger Matthew Pinson og Martin Bazant ved Massachusetts Institute of Technology i Cambridge.

Og det er præcis, hvad disse fyre har udviklet – en simpel model for, hvordan batterikapaciteten falmer over tid.

Batterier nedbrydes gradvist, efterhånden som processen med opladning og genopladning uundgåeligt kræver sin vejafgift. I løbet af denne cyklus pendler ioner fra en del af batteriet til en anden og tvinger sig selv ind i gitter, der ikke altid er designet til at acceptere dem let.

For eksempel, når lithiumioner trænger ind i et siliciumgitter, får de det til at udvide sig i volumen med en faktor på fire. Det skaber betydelige mekaniske belastninger under hver opladningscyklus, som har tendens til at rive silicium fra hinanden. Det er grunden til, at silicium, selvom det ellers er lovende, endnu ikke er blevet brugt som anodemateriale.

I lithium-ion-batterier opstår kapacitetsfading af en anden årsag. I dette tilfælde reagerer elektrolytten med lithium ved den negative elektrode og danner et permanent fast lag kaldet fast-elektrolyt-interfasen.

Batteriet fortsætter med at fungere, fordi lithium-ioner nemt kan rejse gennem dette lag.

Ikke desto mindre vokser dette lag langsomt. Reaktionen med elektrolytten fjerner lithium fra systemet, og efter mange tusinde cyklusser forårsager dette en gradvis reduktion i ydeevnen kaldet kapacitetsfade. Det er dette, der til sidst stopper batteriet med at virke.

Pinson og Bazants nye model simulerer denne proces. De modellerer koncentrationsgradienterne af lithium gennem fast-elektrolyt-interfasen og koncentrationsgradienten af ​​andre reaktive ingredienser i elektrolytten. Dette giver dem mulighed for at simulere, hvordan interfaselaget udvikler sig over tid.

Så vidt vi ved, er dette det første forsøg på teoretisk at forudsige den spatio-temporale fordeling af fast-elektrolyt-interfasedannelse i en porøs elektrode, siger Pinson og Bazant.

De fortsætter med at udvide modellen til at arbejde med andre materialer, der hurtigt nedbrydes, såsom silicium.

Selvfølgelig er en vigtig test af enhver model, hvor godt den matcher eksperimentel observation. I den henseende fungerer modellen godt, siger de. Vores enkle modeller er i stand til præcist at passe til en række offentliggjorte eksperimentelle data for grafit- og siliciumanoder.

Det er bestemt lovende, men forsigtighed er altid tilrådeligt i den notorisk komplekse verden af ​​elektrokemi. Hvis en simpel model kan være med til at forklare kompleks adfærd, så er det vel og mærke. Men der vil være masser af tvivlere, der skal overbevises.

Den virkelige test vil være, om denne model har prædiktiv værdi i ægte batteriforskning - er den pålidelig nok til at hjælpe med at bestemme retningen for fremtidigt arbejde?

Det er stadig et åbent spørgsmål.

Ref: arxiv.org/abs/1210.3672 : Teori om SEI-dannelse i genopladelige batterier: Kapacitetsfade, accelereret aldring og levetidsforudsigelse

skjule