تجزیه و تحلیل باتری لیتیوم یون در INES-CEA

در طول دوران دانشجویی من به عنوان دانشجوی دکترا، یک پلاک آبی رنگ به نام «نقشه شیمی» روی ساختمان چند صد متری پایین‌تر از آزمایشگاه من نصب شد. این پلاک یادبود دستاوردهای محققانی است که باتری لیتیوم یون (Li-ion) را قابل استفاده کردند. چه در مورد الکتروشیمی باتری‌های لیتیوم یونی قابل شارژ بدانید یا نه، احتمالاً به یکی از آنها اعتماد دارید. ما آنها را در تلفن و لپ تاپ خود حمل می کنیم و سوار ماشین ها و هواپیماهایی می شویم که از آنها برای برق استفاده می کنند. بهبود کارایی و ایمنی چنین دستگاه‌هایی کار بزرگی است و بر درک شیمی آنها و ارتباط آن با آزمایش استوار است. Mikael Cugnet در INES-CEA در فرانسه از COMSOL Multiphysics برای پیشبرد درک تیمش از آزمایش‌های باتری‌شان، با در نظر گرفتن اثرات واقعی پشت اندازه‌گیری‌های امپدانس الکتروشیمیایی استفاده کرد.

قدرت ایمن از لیتیوم

لیتیوم به دلیل ظرفیت انرژی ویژه فوق العاده ای که دارد یک ماده جذاب است. ممکن است از دوران مدرسه خود واکنش شدید لیتیوم با آب را به خاطر بیاورید. اگر این تمایل به واکنش را به پتانسیل الکتروشیمیایی ترجمه کنید، خواهید دید که یک باتری مبتنی بر لیتیوم به دلیل واکنش الکتروشیمیایی ولتاژ بالاتری نسبت به هر ماده شیمیایی دیگر به شما می دهد. و در عدد اتمی 3 نیز بسیار سبک است، بنابراین انرژی شیمیایی زیادی در واحد جرم موجود است. اما به جای داشتن فلز لیتیوم بسیار واکنش‌پذیر در باتری، طراحی با استفاده از مواد کاتدی که در آن یون‌های لیتیوم “درهم می‌شوند” ایمنی را تضمین می‌کند، به طوری که یون‌های لیتیوم در ساختار شیمیایی ماده دیگری وجود دارند.

تجزیه و تحلیل باتری لیتیوم یون: از مدارهای الکتریکی تا شیمی

کاگنت به منظور مطالعه و بهینه سازی شیمی باتری خود، بر روی یک تکنیک آزمایشی به نام طیف سنجی امپدانس الکتروشیمیایی (EIS) تمرکز کرد. این تکنیک رایج و همه کاره برای حل خواص مقاومتی و خازنی یک سیستم الکتروشیمیایی، با اعمال یک جریان مستقیم ثابت و سپس قرار دادن یک ولتاژ سینوسی کوچک در سراسر سلول استفاده می‌شود. تا زمانی که این ولتاژ نوسانی اعمال شده به اندازه کافی کوچک باشد، ویژگی‌های سیستم خطی باقی می‌مانند و بنابراین پاسخ جریان به طور هماهنگ در همان فرکانس ولتاژ اعمال شده نوسان می‌کند. این پاسخ‌ها، که از طریق امپدانس الکتریکی ارزیابی می‌شوند، هستند که دانشمندان برای اندازه‌گیری بسیاری از ویژگی‌های سیستم، مانند سینتیک الکتروشیمیایی یا انتقال گونه‌ها به و از الکترود استفاده می‌کنند.

همانطور که Cugnet در مقاله خود در COMSOL News 2013 توضیح می دهد ، یکی از معایب آزمایش EIS این است که نتایج به وضوح با شیمی زیربنایی همبستگی ندارند. به طور معمول، رفتار اندازه‌گیری شده سلول با یک “مدار معادل” توصیف می‌شود، که در آن قیاسی با امپدانس یک مدار الکتریکی متشکل از مقاومت‌ها و خازن‌های ایده‌آل ترسیم می‌شود. با این حال، مقاومت ها و ظرفیت ها نیاز به تنظیم دقیق دارند و به طور کامل اثرات شیمیایی واقعی مانند انتقال جرم و واکنش های الکتروشیمیایی را که باعث این پدیده می شوند، نشان نمی دهند.

با استفاده از یک مدل مولتیفیزیک COMSOL برای پیش‌بینی امپدانس‌ها با حل یک سیستم معادلات دیفرانسیل که اثرات فیزیکی و شیمیایی مختلف در کار درون باتری را توصیف می‌کند، Cugnet بهتر توانست نتایج آزمایش‌های خود را درک کند. علاوه بر این، این مدل را می‌توان به راحتی با فرکانس‌ها یا ولتاژهای مرکزی مختلف تطبیق داد و پاسخ شیمیایی باتری لیتیوم یونی را در چرخه‌های قدرت مختلف نشان داد. تجسم پروفیل‌های غلظت و چگالی جریان در شرایط مختلف دلایلی را که چرا طیف‌های امپدانس به نظر می‌رسند روشن می‌کند و بنابراین به درک اندازه‌گیری‌های موجود در یک سیستم باتری واقعی کمک می‌کند. چنین رویکرد مدل‌سازی به Cugnet اجازه داد تا بفهمد که عبارات مختلف در معادلات او تا چه اندازه می‌توانند رفتار باتری مورد بررسی را تقلید کنند.

تجزیه و تحلیل باتری: امپدانس باتری
با استفاده از طیف‌سنجی امپدانس الکتروشیمیایی (EIS)، امپدانس باتری در طیفی از فرکانس‌ها در محدوده میلی هرتز تا کیلو هرتز اندازه‌گیری می‌شود و در نمودار امپدانس نمایش داده می‌شود.

ماکروسکوپی در مقابل میکروسکوپی

چالش جالب دیگر در کار در INES-CEA پیچیدگی فعل و انفعالات شیمیایی در کاتد آهن-فسفات است. این ماده ساختار ریز ذره‌ای دارد، بنابراین برای درک تأثیرات انتشار لیتیوم به ذرات جداگانه، Cugnet از COMSOL Multiphysics برای ساخت یک مدل میکروسکوپی از این فرآیند استفاده کرد. او سپس این مدل در مقیاس کوچک را با یک مدل ماکروسکوپی از کاتد و الکترولیت جفت کرد. به این ترتیب، تأثیر شیمی محلی را می توان با توزیع کلی چگالی جریان مرتبط کرد. این نوع جزئیات شیمیایی برای توسعه دستگاه های الکتروشیمیایی حیاتی است، زیرا توان استخراج شده به آن بستگی دارد.

ماکروسکوپی در مقابل میکروسکوپی: مدل کاتد آهن فسفات
مدل کاتد آهن فسفات در سطح ماکروسکوپی (چپ) و میکروسکوپی (راست).

این یک ویژگی جالب تکنیک‌های تحلیلی در الکتروشیمی است که از آنجایی که شما فقط می‌توانید جریان کل یا ولتاژ کل را اندازه‌گیری کنید، اغلب به شبیه‌سازی کنار هم نیاز است تا از آزمایش‌های خود چیزی یاد بگیرید! با این حال، اندازه‌گیری‌های تجربی برای اعتبار بخشیدن به شبیه‌سازی حیاتی هستند. در این مورد، تطبیق پذیری مدل‌سازی چندفیزیکی به Mikael Cugnet و INES-CEA اجازه داد تا در شناسایی نقاط کلیدی یک سیستم شیمیایی پیچیده و چند فازی پیشرفت کنند. می توانید جزئیات کامل مدل باتری لیتیوم یون را در COMSOL News 2013 ، از صفحه 44 بخوانید.