Χωρικές ανομοιομορφίες σε συσσωρευτές ιόντων λιθίου ηλεκτροκίνητων οχημάτων

Abstract

The study and computational simulation of lithium-ion batteries heavily relies on the P2D (pseudo-2D) model, which captures physicochemical phenomena along the electrode thickness direction and within the active material particle. In other words, it assumes that variations in electrochemical and thermal quantities in other directions are negligible, significantly simplifying the mathematical problem without substantially compromising the model’s accuracy for most applications. This work investigates cases where such variations (inhomogeneities) may be significant, particularly in studies related to optimal design, cooling, and the lifetime of lithium-ion batteries, especially in electric vehicle applications. To this end, a coupled 3D electrochemical, thermal, and aging model is employed, parameterized using laboratory measurements. The model is then used to examine specific practical application problems involving inhomogeneities across different spatial scales. At the electrode-pair scale, unequal sizes between the anode and cathode can induce undesired effects, such as lithium plating at the edges. The results show that if the cathode area is larger, lithium plating may occur even under normal operating conditions. The presence of an anode overhang can mitigate this risk, however, it may introduce inhomogeneities that could lead to lithium plating during cycling. The absence of electrolyte at the edges due to insulation reduces these inhomogeneities and consequently the associated risks. Moreover, the anode overhang can distort coulombic efficiency measurements, due to lithium diffusion between the active and passive regions of the anode. By employing the electrochemical model, this work provides the first analysis of how the anode’s OCP, geometric parameters such as the overhang size, and measurement protocols like the charge-discharge C-rate influence the diffusion rate and hence the measurement values. At the cell scale, the effects of macroscopic cell design on aging are examined. Four different designs were considered to assess the impact of tabs position, tabs thickness, and cell aspect ratio on aging. The results indicate that aging due to excessive SEI (solid electrolyte interphase) formation follows the pattern of electrical and thermal inhomogeneities. In contrast, inhomogeneous aging due to lithium plating behaves differently, as it is governed by a complex interplay between current density, temperature, plating overpotential, and the plating reaction rate. At the battery module scale, inhomogeneous cell aging caused by inherently uneven heating/cooling from the thermal management system is analyzed. The results reveal significant inhomogeneities both within each cell and between cells, which can lead to non-negligible deviations from the expected battery lifespan. By employing advanced thermal management techniques, these inhomogeneities and the overall module aging can be substantially reduced. In conclusion, the multidimensional modeling approach can indeed reveal and address practical design challenges in modern and future batteries for electric vehicle applications.

Η μελέτη και η υπολογιστική προσομοίωση μπαταριών ιόντων Λιθίου στηρίζεται εκτενώς στο μοντέλο P2D (pseudo-2d), το οποίο υπολογίζει τα φυσικοχημικά φαινόμενα κατά τη διεύθυνση του πάχους των ηλεκτροδίων και εντός του ενεργού σωματιδίου. Με άλλα λόγια θεωρεί ότι οι διαφοροποιήσεις των ηλεκτροχημικών και θερμικών μεγεθών στις υπόλοιπες διευθύνσεις είναι αμελητέες, κάτι που απλοποιεί σημαντικά το μαθηματικό πρόβλημα χωρίς να μειώνει σημαντικά την πιστότητα του μοντέλου στην πλειονότητα των εφαρμογών. Στην παρούσα εργασία μελετώνται κάποιες από τις περιπτώσεις που οι παραπάνω διαφοροποιήσεις (ανομοιομορφίες) ενδέχεται να είναι σημαντικές για τις μελέτες που αφορούν το βέλτιστο σχεδιασμό, την ψύξη και τη διάρκεια ζωής των μπαταριών ιόντων Λιθίου, κυρίως για εφαρμογές σε οχήματα. Για τη μελέτη αυτή χρησιμοποιείται ένα συζευγμένο 3D ηλεκτροχημικό, θερμικό και μοντέλο γήρανσης, το οποίο παραμετροποιείται με τη βοήθεια εργαστηριακών μετρήσεων. Στη συνέχεια το μοντέλο εφαρμόζεται για τη μελέτη συγκεκριμένων προβλημάτων πρακτικής εφαρμογής που καλύπτουν περιπτώσεις ανομοιομορφιών σε διαφορετικές κλίμακες χώρου. Πιο συγκεκριμένα, στην κλίμακα του ζεύγους ηλεκτροδίων, η άνιση επιφάνεια μεταξύ ανόδου και καθόδου μπορεί να προκαλέσει ανεπιθύμητα φαινόμενα, όπως η επιμετάλλωση Λιθίου στα άκρα. Τα αποτελέσματα δείχνουν πως αν η επιφάνεια της καθόδου είναι μεγαλύτερη τότε μπορεί να προκληθεί επιμετάλλωση Λιθίου ακόμη και σε κανονικές συνθήκες λειτουργίας. Η ύπαρξη της προεξέχουσας ανόδου αποτρέπει τον κίνδυνο αυτό, ενδέχεται όμως να οδηγήσει μελλοντικά σε επιμετάλλωση λόγω των ανομοιομορφιών που δημιουργεί. Η απουσία ηλεκτρολύτη στα άκρα μέσω μόνωσης μειώνει το μέγεθος των ανομοιομορφιών και κατ’ επέκταση τους κινδύνους αυτούς. Επιπλέον, η ύπαρξη της προεξέχουσας ανόδου μπορεί να προκαλέσει αλλοίωση των μετρήσεων της κουλομβικής απόδοσης, εξαιτίας της διάχυσης του Λιθίου μεταξύ της ενεργής και παθητικής περιοχής της ανόδου. Αξιοποιώντας το ηλεκτροχημικό μοντέλο, για πρώτη φορά αναλύεται με ποιο τρόπο το OCP της ανόδου και παράμετροι που αφορούν τη γεωμετρία, όπως το μέγεθος της προεξοχής, και το πρωτόκολλο μέτρησης, όπως ο ρυθμός φόρτισης-εκφόρτισης, επηρεάζουν την ταχύτητα διάχυσης και κατά συνέπεια τις τιμές των μετρήσεων. Στην κλίμακα του κελιού, μελετώνται οι επιπτώσεις του μακροσκοπικού σχεδιασμού του κελιού στη γήρανση του. Θεωρώντας τέσσερις διαφορετικές σχεδιαστικές επιλογές ελέγχθηκε η επίδραση της θέσης, του πάχους των ακροδεκτών και της αναλογίας των διαστάσεων του κελιού στη γήρανσή του. Τα αποτελέσματα δείχνουν ότι η γήρανση μέσω σχηματισμού υπερβάλλουσας ποσότητας SEI ακολουθεί τη μορφή των ηλεκτρικών και θερμοκρασιακών ανομοιομορφιών. Αντιθέτως, η ανομοιόμορφη γήρανση λόγω της επιμετάλλωσης Λιθίου διαφέρει λόγω της πολύπλοκης αλληλεπίδρασης μεταξύ της πυκνότητα ρεύματος, της θερμοκρασίας, της υπέρτασης επιμετάλλωσης και του ρυθμού αντίδρασης της επιμετάλλωσης. Στην κλίμακα της συστοιχίας κελιών, μελετάται η ανομοιόμορφη γήρανση των κελιών που προκαλείται από την εκ των πραγμάτων ανομοιόμορφη ψύξη/θέρμανσή τους από το σύστημα θερμικής διαχείρισης. Τα αποτελέσματα δείχνουν ότι η γήρανση της συστοιχίας χαρακτηρίζεται από σημαντικές ανομοιομορφίες τόσο εντός του κάθε κελιού όσο και μεταξύ αυτών που μπορεί να οδηγήσουν σε μη αμελητέες αποκλίσεις από την επιθυμητή διάρκεια ζωής τους. Ακολουθώντας προηγμένες τεχνικές θερμικής διαχείρισης, οι ανομοιομορφίες αυτές και η γήρανση συνολικά της συστοιχίας ελαττώνονται σημαντικά. Συμπερασματικά, η πολυδιάστατη προσέγγιση μοντελοποίησης μπορεί πράγματι να αναδείξει και να επιλύσει πρακτικά προβλήματα σχεδιασμού σύγχρονων και μελλοντικών μπαταριών για εφαρμογές οχημάτων.