Fortschrittliches analytisches Modell deckt optimale Batterieleistung auf

Batterieoptimierung involviert generell einen Zielkonflikt zwischen Energie (der Menge, die gespeichert werden kann) und Leistungsdichte (der Freisetzungsrate), wovon alles von den Materialien, ihren Konfigurationen und internen Strukturen wie Porosität abhängt. Es gibt einstellbare Parameter, die mit der Struktur assoziiert sind und optimiert werden müssen. Typischerweise müssen Zehntausende von Berechnungen durchgeführt werden, um den Parameterraum zu durchsuchen und die beste Kombination zu finden. Dies ist ein zeitaufwändiger Prozess.

Forscher haben eine schnellere und einfachere Methode entwickelt, die keine komplexe numerische Simulation erfordert, um die Auswahl und das Design von Batteriekomponenten und deren Wechselwirkungen zu leiten. Das vereinfachte Modell hat eine Genauigkeit innerhalb von 10 % von rechenintensiveren Algorithmen und wird Forschern ermöglichen, die Rate Capability von Batterien schnell zu bewerten.

Fast alle Batteriezellen-Designer und -Optimierer verwenden Pseudo-Zweidimensionale (P2D) Simulationen, die teuer in der Ausführung sind. Dies wird besonders zum Problem, wenn Batteriezellen optimiert werden, da sie viele Variablen und Parameter haben, die sorgfältig abgestimmt werden müssen, um die Leistung zu maximieren.

Das neue Werkzeug bietet einen schnelleren, transparenteren Weg, um den Designprozess zu beschleunigen, und liefert einfache, klare Einsichten, die nicht immer leicht aus numerischen Simulationen zu erhalten sind. Das Modell könnte leicht in gängiger Software wie MATLAB und Excel und sogar auf Taschenrechnern implementiert werden.

Um das Modell zu testen, ließen die Forscher es nach der optimalen Porosität und Dicke einer Elektrode in gängigen Voll- und Halbzellenbatterien suchen. Dabei entdeckten sie, dass Elektroden mit „uniformer Reaktions“-Verhalten wie Nickel-Mangan-Cobalt und Nickel-Cobalt-Aluminiumoxid am besten für Anwendungen geeignet sind, die dicke Elektroden zur Erhöhung der Energiedichte erfordern. Sie fanden auch heraus, dass Batterie-Halbzellen (mit nur einer Elektrode) inhärent bessere Rate Capability haben, was bedeutet, dass ihre Leistung kein zuverlässiger Indikator dafür ist, wie Elektroden in den Vollzellen performen werden, die in kommerziellen Batterien verwendet werden.