Three-dimensional thermo-coupled modelling of Lithium-ion batteries

Abstract

Med økende interesse for å oppnå bedre ytelse av batterier for å kunne levere nødvendig energilagring for energiomstillingen, har mange potensielle forskningsområder dukket opp. En av dem er forbedring av katodeytelse knyttet til energikapasitet, kinetikk, aldring osv. Et av aspektene som batteriforskningsgruppen har hatt fokus på er å forbedre kinetikken i ladeprosessen ved å modifisere katodens overflatetopografi. Målet er å øke den aktive overflaten mens kapasiteten påvirkes minst mulig. Ettersom forskjellige teknikker har blitt testet for å oppnå en slik forbedring har forskjellige overflateformer blitt utviklet. For å gi en pekepinn på hvordan en ny overflateform vil fungere før produksjon og testing, eller for å oppdage potensielle problemer forårsaket av en potensiell form, er en digital modell som undersøker slike variasjoner i katodeoverflate og gir nyttig informasjon ønskelig. Denne teksten beskriver utviklingen av en slik modell som bruker et termodynamisk konsistent sett med ligninger for å simulere ytelsen til et gitt katodedesign. Med formål om å justere modellen og oppnå nøyaktige resultater, er det gjort beregninger for hver av parameterne som inngår i disse ligningene. Videre vil det i denne teksten presenteres resultater fra simulasjoner av fem ulike katodetopografier gjort med den utviklede modellen, som vil analyseres og. Til sist vil resultatene og mulige forbedringsområder for modellen diskuteres.

With the increasing interest in obtaining better performance of batteries to supply the necessary energy storage for the energy transition, many potential research areas have appeared. One of them is the improvement of cathode performance related to energy capacity, kinetics, aging, etc. One of the aspects that the battery research group has been focused on is to improve the kinetics of the charging process by modifying the superficial topography of the cathode, increasing their active surface while attempting to affect the capacity as little as possible. Since different techniques have been tested to obtain that improvement, different shapes have been developed. To offer a beforehand idea of how a new non-tested shape will perform or to detect potential issues produced by these shapes, the idea of creating a digital model that admits those variances and provide useful information came out. Then, a model that uses a thermodynamic consistent set of equations to simulate the performance of cathode designs has been created. With the purpose of adjusting the response of the model and obtain accurate results, the calculus of each one of the parameters that are involved in these equations have been done. In this document the results of some tests are exposed, analysed and compared using 5 different cathode shape to see how sensitive is the system to these changes. After this study, the results and some possible improvements of the model are discussed.