Presentación

Con el rápido desarrollo de los tiempos, las baterías de iones de litio (LIB) se han generalizado en los vehículos eléctricos e híbridos eléctricos. Sin embargo, para aumentar cada vez más la densidad de potencia de salida, es necesario diseñar estructuras porosas óptimas en las capas de los electrodos, ya que la transferencia de iones de litio y electrones depende en gran medida de esta estructura heterogénea. En cualquier caso, se han desarrollado electrodos de Si y Sn como materiales activos para electrodos negativos de alta capacidad. En particular, se ha informado de varios materiales nuevos desde el punto de vista de la capacidad, la seguridad y el rendimiento de los ciclos. Sin embargo, se han realizado pocos estudios para diseñar estructuras de electrodos con estos materiales de ánodo, ya que requiere tener en cuenta los efectos de expansión de volumen durante la carga y la descarga y resulta difícil. En nuestros estudios anteriores, calculamos las reacciones electroquímicas y la transferencia de masa utilizando la expansión de volumen del material activo como parámetro para nuestros cálculos. En este estudio, primero comparamos los resultados de esta simulación con las variaciones de espesor reales y las curvas de carga obtenidas experimentalmente. A continuación, utilizamos el modelo para comparar cada material activo del ánodo en condiciones de carga. Utilizamos el modelo de simulación anterior. Se hicieron las siguientes suposiciones: (1) la capa del electrodo es una estructura porosa homogénea y, por tanto, se realizaron cálculos unidimensionales; (2) la distribución de la temperatura dentro de la célula es uniforme; y (3) el tamaño de las partículas del material activo es pequeño, lo que permite una rápida difusión del litio dentro de las partículas del material activo. Por lo tanto, la distribución de la concentración de litio en las partículas es uniforme; (4) el material activo positivo es LiCoO2 y el electrodo negativo es grafito o silicio. (5) Se ignora el efecto de agrietamiento y descamación de la capa del electrodo.

Aplicaciones

En este artículo nos centramos en el hecho de que, para mejorar el rendimiento de las pilas de iones de litio, no sólo es importante el desarrollo de materiales, sino también el diseño óptimo de la estructura del electrodo. Sin embargo, es difícil examinar el efecto de la expansión de volumen del material activo del ánodo en los fenómenos internos y, por lo tanto, se han realizado pocos estudios para comprender el efecto de la capa óptima del electrodo. En este estudio investigamos el efecto de la relación de expansión del material activo sobre la capacidad de carga neta y el rendimiento del multiplicador de carga neta en el caso del grafito y el silicio como materiales activos del ánodo. Las características de carga se calcularon utilizando ecuaciones basadas en la teoría de electrodos porosos y expresando los cambios en los parámetros causados por el hinchamiento. Además, la validez del modelo de simulación se verifica por comparación con las variaciones de espesor y los perfiles de carga medidos experimentalmente. Como resultado, la capacidad celular de las células de grafeno es superior a la de las células de silicio en condiciones de gran aumento. Las propiedades estructurales dinámicas como parámetro de conductividad iónica efectiva dependen de la estructura porosa, que disminuye cerca del diafragma y aumenta la resistencia a la conducción iónica. En el caso del Si, el aprovechamiento del material activo de Si es menor que el del grafito porque la reacción se concentra significativamente cerca del diafragma.

Imagen 3 presenta Para confirmar la validez de este modelo de simulación, examinamos la relación entre el rendimiento de carga y la variación del grosor de la capa de electrodos. Los resultados se compararon con los de la simulación. Utilizamos un sistema de observación electroquímica (ECCS B310, Lasertec Corporation, Japón) para observar la sección transversal de los LiB en condiciones de carga. La figura 4 muestra un ejemplo de los resultados medidos y experimentales y calculados del rendimiento de carga y la variación del espesor. Las capas de electrodos de LCO y grafito se utilizaron como cátodo y ánodo respectivamente. En esta comparación, las simulaciones se realizaron con un espesor de 40 µm. Esto difiere de la Figura 3. En la Figura 4 (a), la variación del espesor de la célula se mide en cuatro puntos cualesquiera para cada SOC. En estos gráficos, los resultados calculados y experimentales para la curva de carga y la variación del espesor son casi idénticos entre sí. Por tanto, puede confirmarse la validez de la simulación.

Fuente

Autores: Gen Inouea , Kazuki Ikeshitab , Minami Iwabub , Yukari Sagaeb y Motoaki Kawase

Institución: Departamento de Ingeniería Química, Universidad de Kyushu, 744 Motooka, Nishi-ku, Fukuoka, 819-0395, Japón; Departamento de Ingeniería Química. Universidad de Kioto, Kyotodaigaku Katsura, Kioto, 615-8510, Japón.

Revista: The Electrochemical Society

Sitio web fuente del artículo.Simulación de una batería de iones de litio con efecto de la expansión volumétrica de los materiales activos