Raziskovalni projekti so (so)financirani s strani Javne agencije za raziskovalno dejavnost
- Članica UL: UL Fakulteta za strojništvo
- Šifra projekta: J7-8270
- Naslov: Nova generacija elektrokemijskega baterijskega modela LiFePO4
- Trajanje: 01.05.2017 – 30.04.2020
- Letni obseg: 1,05 FTE
- Vodja: prof. dr. Tomaž Katrašnik
- Veda: Interdisciplinarne raziskave
- Sodelujoče RO: Povezava
- Sestava projektne skupine: Povezava
- Bibliografske reference: Povezava
Vsebinski opis projekta
Celice LiFePO in druge insercijske baterije se obravnavajo kot prevladujoča baterijska tehnologija v električnih vozilih in mnogih drugih mobilnih aplikacijah. Kljub njihovi razširjenosti pa osnovni pojavi znotraj celic še vedno niso pojasnjeni. To ne predstavlja le znanstvenega izziva, ampak v veliko večjem obsegu tudi družbeni izziv. Varnost baterijskih celic je namreč eden od ključnih kriterijev za njihovo uporabnost, medtem pa nepopolno poznavanje osnovnih mehanizmov onemogoča optimizacijo komponent in njihovo pravilno uporabo, nadzor ter kondicioniranje. Zato je ključno, da so razvojne aktivnosti poleg raziskav novih materialov usmerjene tudi v aktivnosti povezane z razumevanjem in pravilnim napovedovanjem osnovnih pojavov.
Prebojno delo dveh raziskovalcev tega projekta je prvič podalo termodinamsko podlago za razumevanje mehanizma praznjenja in polnjenja »delec po delec« v insercijskih baterijah. Delo je podalo nove perspektive v razumevanju nehomogenega praznjenja in polnjenja delcev v elektrodah, ki ima za posledico inherentno razklapljanje globalne in lokalne gostote tokov. Nadalje je to odkritje ključen predpogoj za bolj poglobljene analize in izboljšane napovedi degradacije celic, saj na degradacijo vpliva lokalna gostota toka na enoto aktivne površine, ki določa hitrost stranskih reakcij, elektromehanskih šokov in razpok, in ne globalna intenziteta ciklanja. Trenutno je znanstvena skupnost soočena z nenavadno situacijo, kjer je bilo ugotovljenih veliko detajlov posameznih procesov na nanoskali, kritično pa manjkajo povezave med lokalnimi lastnostmi in splošnimi elektrokemijskimi efekti. Težave se še stopnjujejo ob potrebi po napovedih obnašanja baterijske celice pri nestandardnih pogojih, kot so visoke temperature, podaljšano ciklanje/staranje, itd.
Zato ta interdisciplinaren projekt za učinkovito reševanje teh izzivov združuje raziskovalce s področja znanosti materialov na eni in s področja energetskega strojništva na drugi strani. Glavni cilj projekta je tako premostitev vrzeli med najnovejšimi ugotovitvami na nanoskali in potrebo po natančnejših modelih na inženirski ravni. Glavni izroček projekta bo inovativen in napovedovalen model nove generacije za modeliranje elektrokemijskih, transportnih in termičnih pojavov vključujoč stranske reakcije v insercijskih baterijah, ki bo učinkovito podpiral inženiring elektrode na ravni celice.
Za dosego zastavljenih ciljev bo uporabljen več‐skalni modelski pristop, saj je za učinkovito modeliranje vseh relevantnih pojavov v celici potrebno upoštevati tri skale v razponu od delca, preko elektrode do ravni celice. Projekt tako prvič premošča skale od ravni delca do ravni celice in še bolj pomembno, inovativno usklajuje te skale z namenom validacije simulacijskih modelov z eksperimentalnimi podatki. Predlagani projekt zato odlikuje pomemben neposreden znanstveni učinek zaradi premikanja meja znanja v modeliranju insercijskih baterij, ki obsega inovativne modelske pristope, inovativne eksperimente in inovativne validacijsko podprte pristope razvoja modelov z naprednimi interakcijami modelov in eksperimentov.
Tako bo prvič možno napovedati makroskopske efekte na ravni celice ob hkratnem zagotavljanju skladnosti z nanoskopskimi pojavi. Dodatno bodo v projektu razvite inovativne strategije redukcije modela, ki omogočajo prilagajanje modelske globine z ozirom na namenske aplikacije, in funkcionalnost povezljivosti modela, kar zraven znanstvenih doprinosov jasno kaže tudi aplikativno pomembnost projekta. Zato predlagani projekt vsebuje tudi bistven neposredni učinek za industrijske aplikacije in posledično mnoge neposredne in posredne družbene učinke.
Projekt širi obzorje znanja na področju LiFePO baterij, pridobljena odkritja pa bo možno aplicirati tudi na druge insercijske baterijske materiale. Zaradi teh značilnosti, bo projekt bistveno doprinesel k razvoju nove generacije zmogljivejših, trajnejših, stabilnejših in varnejših baterij.
Faze projekta in njihova realizacija
Seznam izvirnih znanstvenih člankov objavljenih v sklopu projekta:
ZELIČ, Klemen, KATRAŠNIK, Tomaž. Thermodynamically consistent derivation of chemical potential of a battery solid particle from the regular solution theory applied to LiFePO4. Scientific reports. Feb. 2019, vol. 9, f. 1-13, ilustr. ISSN 2045-2322. https://www.nature.com/articles/s41598-019-38635-2, DOI: 10.1038/s41598-019-38635-2. [COBISS.SI-ID 16474651]
ZELIČ, Klemen, KATRAŠNIK, Tomaž. Thermodynamically consistent and computationally efficient 0D lithium intercalation model of a phase separating cathode particle. Journal of the Electrochemical Society. [Online ed.]. 2019, vol. 166, iss. 14, f. a3242-a3249, ilustr. ISSN 1945-7111. http://jes.ecsdl.org/content/166/14/A3242.full, DOI: 10.1149/2.0381914jes. [COBISS.SI-ID 16805915]
ZELIČ, Klemen, MELE, Igor, PAČNIK, Ivo, MOŠKON, Jože, GABERŠČEK, Miran, KATRAŠNIK, Tomaž. Revealing the thermodynamic background of the memory effect in phase separating cathode materials. Strojniški vestnik. Nov.-Dec. 2019, vol. 65, no. 11/12, str. 690-700, si 88, ilustr. ISSN 0039-2480. https://www.sv-jme.eu/sl/article/revealing-the-thermodynamic-background-of-the-memory-effect-in-phase-separating-cathode-materials/, DOI: 10.5545/sv-jme.2019.6366. [COBISS.SI-ID 16934939]
DRVARIČ TALIAN, Sara, MOŠKON, Jože, DOMINKO, Robert, GABERŠČEK, Miran. Impedance response of porous carbon cathodes in polysulfide redox system. Electrochimica Acta. [Print ed.]. 10 Apr. 2019, vol. 302, str. 169-179. ISSN 0013-4686. https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0013468619302713, DOI: 10.1016/j.electacta.2019.02.037. [COBISS.SI-ID 6614042]
MELE, Igor, PAČNIK, Ivo, ZELIČ, Klemen, MOŠKON, Jože, KATRAŠNIK, Tomaž. Advanced porous electrode modelling framework based on more consistent virtual representation of the electrode topology. Journal of the Electrochemical Society. [Online ed.]. 2020, vol. 167, no. 6, str. [1-18], ilustr. ISSN 1945-7111. https://iopscience.iop.org/article/10.1149/1945-7111/ab84fb/meta, DOI: 10.1149/1945-7111/ab84fb. [COBISS.SI-ID 17157915]
KATRAŠNIK, Tomaž, MELE, Igor, ZELIČ, Klemen. Multi-scale modelling of Lithium-ion batteries : from transport phenomena to the outbreak of thermal runaway. Energy conversion and management. [Print ed.]. May 2021, vol. 236, str. 1-22, ilustr. ISSN 0196-8904. https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0196890421002120?via%3Dihub, DOI: 10.1016/j.enconman.2021.114036. [COBISS.SI-ID 58992387]