211service.com
Den första teoretiska modellen för laddningscykelprestanda kan revolutionera batteriforskningen
Ett problem med batteriutveckling är att förstå hur prestanda förändras med åldern. En god kunskap om den här typen av försämring gör att forskare kan avfärda ineffektiva konstruktioner tidigare och koncentrera sig på mer lovande.
Men ingen har utvecklat en bra teoretisk modell för batterinedbrytning så denna typ av information måste samlas in från experiment, vilket kan vara en lång och dyr uppgift. Till exempel bryts dagens litiumjonbatterier ned under tusentals cykler.
Tillgången till en enkel, men korrekt, matematisk modell för kapacitetsfading och livstidsstatistik kan avsevärt påskynda batteriutveckling och kommersialisering, säger Matthew Pinson och Martin Bazant vid Massachusetts Institute of Technology i Cambridge.
Och det är precis vad de här killarna har utvecklat – en enkel modell av hur batterikapaciteten bleknar med tiden.
Batterier försämras gradvis eftersom processen att ladda och ladda oundvikligen tar ut sin rätt. Under denna cykel transporterar joner från en del av batteriet till en annan och tvingar sig in i galler som inte alltid är utformade för att acceptera dem lätt.
Till exempel, när litiumjoner kommer in i ett kiselgitter får de det att expandera i volym med en faktor fyra. Det skapar betydande mekaniska påfrestningar under varje laddningscykel, som tenderar att slita isär kislet. Det är därför kisel, även om det annars är lovande, ännu inte har använts som anodmaterial.
I litiumjonbatterier uppstår kapacitetsfläckning av en annan anledning. I detta fall reagerar elektrolyten med litium vid den negativa elektroden och bildar ett permanent fast skikt som kallas fast-elektrolyt-interfasen.
Batteriet fortsätter att fungera eftersom litiumjoner kan resa genom detta lager med lätthet.
Ändå växer detta lager långsamt. Reaktionen med elektrolyten tar bort litium från systemet, och efter många tusen cykler orsakar detta en gradvis minskning av prestanda som kallas kapacitetsblekning. Det är detta som till slut stoppar batteriet att fungera.
Pinson och Bazants nya modell simulerar denna process. De modellerar koncentrationsgradienterna för litium genom fast-elektrolyt-interfasen och koncentrationsgradienten för andra reaktiva ingredienser i elektrolyten. Detta gör att de kan simulera hur interfasskiktet utvecklas över tiden.
Såvitt vi vet är detta det första försöket att teoretiskt förutsäga den spatio-temporala fördelningen av fast-elektrolyt-interfasbildning i en porös elektrod, säger Pinson och Bazant.
De fortsätter med att utöka modellen till att fungera med andra material som snabbt bryts ned, som kisel.
Naturligtvis är ett viktigt test av vilken modell som helst hur väl den matchar experimentell observation. I det här avseendet fungerar modellen bra, menar de. Våra enkla modeller kan noggrant passa en mängd publicerade experimentella data för grafit- och kiselanoder.
Det är verkligen lovande men försiktighet är alltid tillrådligt i elektrokemins notoriskt komplexa värld. Om en enkel modell kan hjälpa till att förklara komplext beteende så är allt bra. Men det kommer att finnas många tvivlare som behöver övertygas.
Det verkliga testet kommer att vara om denna modell har prediktivt värde i verklig batteriforskning – är den tillräckligt tillförlitlig för att hjälpa till att bestämma riktningen för framtida arbete?
Det är fortfarande en öppen fråga.
Ref: arxiv.org/abs/1210.3672 : Teorin om SEI-bildning i uppladdningsbara batterier: Kapacitetsfade, accelererad åldrande och livstidsförutsägelse