Analytisch model evalueert batterijcapaciteit

Batterijoptimalisatie houdt over het algemeen een afweging in tussen energie (de hoeveelheid die het kan opslaan) en vermogensdichtheid (de snelheid van afgifte), die allemaal afhangt van de materialen, hun configuraties en interne structuren zoals porositeit. Er zijn aanpasbare parameters verbonden aan de structuur die moeten worden geoptimaliseerd. Meestal moeten tienduizenden berekeningen worden gemaakt om de parameterruimte te doorzoeken en de beste combinatie te vinden. Dit is een tijdrovend proces.

Onderzoekers hebben een snellere en eenvoudigere methode ontwikkeld die geen complexe numerieke simulatie vereist om de selectie en het ontwerp van batterijcomponenten en hun interactie te begeleiden. Het vereenvoudigde model heeft een nauwkeurigheid van minder dan 10% van meer rekenintensieve algoritmen en stelt onderzoekers in staat om snel de snelheid van batterijen te evalueren.

Bijna alle batterijcelontwerpers en -optimizers gebruiken pseudo-tweedimensionale (P2D) simulaties, die duur zijn om uit te voeren. Dit wordt vooral een probleem bij het optimaliseren van batterijcellen, omdat ze veel variabelen en parameters hebben die zorgvuldig moeten worden afgesteld om de prestaties te maximaliseren.

De nieuwe tool biedt een snellere, transparantere manier om het ontwerpproces te versnellen en biedt eenvoudige, duidelijke inzichten die niet altijd gemakkelijk te verkrijgen zijn uit numerieke simulaties. Het model zou gemakkelijk kunnen worden geïmplementeerd in gangbare software als MATLAB en Excel, en zelfs op rekenmachines.

Om het model te testen, lieten de onderzoekers het zoeken naar de optimale porositeit en dikte van een elektrode in gewone vol- en halfcelbatterijen. Daarbij ontdekten ze dat elektroden met een "uniform reactie"-gedrag, zoals nikkel-mangaan-kobalt en nikkel-kobalt-aluminiumoxide, het beste zijn voor toepassingen waarbij dikke elektroden nodig zijn om de energiedichtheid te verhogen. Ze ontdekten ook dat halfcellen van batterijen (met slechts één elektrode) inherent een betere snelheid hebben, wat betekent dat hun prestaties geen betrouwbare indicator zijn van hoe elektroden zullen presteren in de volledige cellen die in commerciële batterijen worden gebruikt.