Geavanceerd analytisch model onthult optimale batterijprestaties

Batterijoptimalisatie omvat doorgaans een afweging tussen energie (de hoeveelheid die het kan opslaan) en vermogensdichtheid (de snelheid van afgifte), wat allemaal afhangt van de materialen, hun configuraties, en dergelijke interne structuren als porositeit. Er zijn aanpasbare parameters geassocieerd met de structuur die geoptimaliseerd moeten worden. Typisch moeten tienduizenden berekeningen gemaakt worden 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 sturen. Het vereenvoudigde model heeft een nauwkeurigheid binnen 10% van rekenintensieve algoritmes en zal onderzoekers in staat stellen om de snelheidscapaciteit van batterijen snel te evalueren.

Bijna alle batterijcel-ontwerpers en optimaliseerders gebruiken pseudo-twee-dimensionale (P2D) simulaties, die duur zijn om uit te voeren. Dit wordt met name een probleem bij het optimaliseren van batterijcellen omdat ze veel variabelen en parameters hebben die zorgvuldig afgesteld moeten worden om de prestaties te maximaliseren.

Het nieuwe hulpmiddel biedt een snellere, meer transparante manier om het ontwerpproces te versnellen en biedt eenvoudige, duidelijke inzichten die niet altijd gemakkelijk te verkrijgen zijn uit numerieke simulaties. Het model kan gemakkelijk geïmplementeerd worden in dergelijke 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 veelvoorkomende volle- en half-cel batterijen. In het proces ontdekten ze dat elektroden met "uniforme reactie" gedrag zoals nikkel-mangaan-kobalt en nikkel-kobalt-aluminiumoxide het beste zijn voor toepassingen die dikke elektroden vereisen om de energiedichtheid te verhogen. Ze vonden ook dat batterij half-cellen (met slechts één elektrode) inherent betere snelheidscapaciteit hebben, wat betekent dat hun prestaties geen betrouwbare indicator zijn van hoe elektroden zullen presteren in de volle cellen die in commerciële batterijen gebruikt worden.