Pierwszy teoretyczny model wydajności cyklu ładowania może zrewolucjonizować badania nad akumulatorami

Jednym z problemów związanych z rozwojem baterii jest zrozumienie, jak wydajność zmienia się wraz z wiekiem. Dobra znajomość tego rodzaju degradacji pozwala naukowcom na wcześniejsze odrzucenie nieefektywnych projektów i skoncentrowanie się na bardziej obiecujących.

Jednak nikt nie opracował dobrego teoretycznego modelu degradacji baterii, więc tego rodzaju informacje muszą być zebrane z eksperymentu, co może być długim i kosztownym zadaniem. Na przykład dzisiejsze akumulatory litowo-jonowe ulegają degradacji w ciągu tysięcy cykli.

Matthew Pinson i Martin Bazant z Massachusetts Institute of Technology w Cambridge twierdzą, że dostępność prostego, ale dokładnego matematycznego modelu zanikania pojemności i statystyk żywotności może znacznie przyspieszyć rozwój i komercjalizację baterii.

I właśnie to opracowali ci faceci - prosty model sposobu, w jaki pojemność baterii zmniejsza się z czasem.

Akumulatory ulegają stopniowej degradacji, ponieważ proces ładowania i ładowania nieuchronnie zbiera swoje żniwo. Podczas tego cyklu jony przemieszczają się z jednej części baterii do drugiej, tworząc sieci, które nie zawsze są przystosowane do ich łatwego przyjmowania.

Na przykład, gdy jony litu dostają się do sieci krzemowej, powodują jej czterokrotne zwiększenie objętości. Powoduje to znaczne naprężenia mechaniczne podczas każdego cyklu ładowania, które mają tendencję do rozrywania krzemu. Dlatego krzem, choć skądinąd obiecujący, nie został jeszcze użyty jako materiał anodowy.

W akumulatorach litowo-jonowych spadek pojemności następuje z innego powodu. W tym przypadku elektrolit reaguje z litem na elektrodzie ujemnej, tworząc trwałą warstwę stałą zwaną interfazą ciało stałe-elektrolit.

Bateria nadal działa, ponieważ jony litu mogą z łatwością przemieszczać się przez tę warstwę.

Niemniej jednak ta warstwa rośnie powoli. Reakcja z elektrolitem usuwa lit z układu, co po wielu tysiącach cykli powoduje stopniowe obniżenie wydajności zwane zanikiem pojemności. Właśnie to w końcu zatrzymuje pracę baterii.

Nowy model Pinsona i Bazanta symuluje ten proces. Modelują gradienty stężeń litu poprzez interfazę ciało stałe-elektrolit oraz gradienty stężeń innych reaktywnych składników w elektrolicie. Dzięki temu mogą symulować ewolucję warstwy międzyfazowej w czasie.

Według naszej wiedzy jest to pierwsza próba teoretycznego przewidzenia czasowo-przestrzennego rozkładu powstawania interfazy ciało stałe-elektrolit w porowatej elektrodzie, mówią Pinson i Bazant.

Następnie rozszerzają model do pracy z innymi materiałami, które szybko się degradują, takimi jak krzem.

Oczywiście ważnym testem każdego modelu jest dopasowanie go do obserwacji eksperymentalnych. Pod tym względem model działa dobrze, mówią. Nasze proste modele są w stanie dokładnie dopasować różnorodne opublikowane dane eksperymentalne dla anod grafitowych i krzemowych.

To z pewnością obiecujące, ale ostrożność jest zawsze wskazana w notorycznie złożonym świecie elektrochemii. Jeśli prosty model może pomóc w wyjaśnieniu złożonego zachowania, wszystko dobrze. Ale będzie wielu wątpiących, których trzeba będzie przekonać.

Prawdziwym testem będzie to, czy ten model ma wartość predykcyjną w prawdziwych badaniach baterii – czy jest wystarczająco wiarygodny, aby pomóc określić kierunek przyszłych prac?

To wciąż otwarte pytanie.

Nr ref.: arxiv.org/abs/1210.3672 : Teoria powstawania SEI w akumulatorach: spadek pojemności, przyspieszone starzenie i przewidywanie żywotności

ukryć