ITHES   25084
INSTITUTO DE TECNOLOGIAS DEL HIDROGENO Y ENERGIAS SOSTENIBLES
Unidad Ejecutora - UE
congresos y reuniones científicas
Título:
Modelado Multiescala de Baterías de Ion Litio desde Principios Físicos
Autor/es:
ABIGAIL ROZENBLIT; MIGUEL A. LABORDE; PABLO D. GIUNTA; FEDERICO J. NORES PONDAL
Lugar:
Santa Fe
Reunión:
Congreso; RAFA 2019; 2019
Institución organizadora:
Universidad Nacional del Litoral
Resumen:
Argentina se encuentra en el llamado ?Tri ́angulo del Litio?, zona que concentra cerca del 54% de las reservas de litio mundiales [1]. Uno de los objetivos actuales m ́as importantes de la humanidad es migrar a alternativas m ́as verdes como fuentes de alimentacio ́n para el transporte vehicular. Resulta estrat ́egico poder aprovechar esta ventaja natural de nuestra regio ́n y estar al frente del desarrollo tecnolo ́gico necesario.Estamos trabajando en un modelo para describir los feno ́menos que suceden en la bater ́ıa y as ́ı poder predecir su comportamiento y proponer mejoras en el funcionamiento. Los modelos de celda en general comprenden tres dominios: un electrodo positivo, uno negativo y el electrolito, que embebe los poros y compone el separador. En particular, nuestro trabajo describe dichas regiones en 1D. En la superficie del material activo de los electrodos ocurre la reaccio ́n electroqu ́ımica que originar ́a la corriente y a su vez dar ́a lugar a la (des)intercalacio ́n de iones en la red. Newman y colaboradores han sido los pioneros en el desarrollo de modelos que describen el transporte de iones dentro de la bater ́ıa [2,3].El material activo del electrodo positivo suele ser un o ́xido de metal de transicio ́n que contenga litio, como por ejemplo el LMO, mientras que el material de insercio ́n del electrodo negativo es un carbo ́n tipo grafito. El electrolito es una sal de litio, LiPF6, que al ser disuelta permite el transporte io ́nico dentro de la bater ́ıa. Las bater ́ıas de ion-litio operan segu ́n el principio de ?silla mecedora?: los iones se desintercalan de la estructura de uno de os electrodos para transportarse a trav ́es del electrolito e insertarse en la estructura del otro. Este mecanismo se asocia a las ecuaciones (1) y (2):Liy+dyC6(s) = dy.Li+ + LiyC6(s) + dy.e−(1)LizMnO2 + dz.Li+ + dz.e− = Liz+dzMO2(2)El modelo comprende dos escalas: la escala del so ́lido y la del electrolito. El so ́lido se modela como esferas de material activo conectadas el ́ectricamente entre s ́ı por un binder. Dentro de cada part ́ıcula se resuelve el balance de masa para los iones litio, siendo la reaccio ́n electroqu ́ımica una condicio ́n de contorno. En la fase electrolito no hay efectos convectivos: el transporte se da por difusio ́n siguiendo la ley de Fick (gradiente de potencial qu ́ımico) y por migracio ́n siguiendo la de Ohm (gradiente de potencial el ́ectrico). El t ́ermino fuente es la condicio ́n de contorno de la escala del so ́lido. La reaccio ́n electroqu ́ımica ocurre en la superficie de la part ́ıcula activa, y tiene una cin ́etica dependiente de las concentraciones de iones tanto en la part ́ıcula como en el electrolito circundante. Adem ́as, dicha reacci ́on genera una diferencia de potencial entre ambas fases. En la aplicacio ́n, tomamos que cada part ́ıcula esf ́erica del so ́lido conforma un u ́nico nodo espacial en la escala del electrolito. El objetivo es poder resolver el sistema de manera teo ́rica en ambas escalas, empleando algoritmos de confeccio ́n propia. Dentro de los desaf ́ıos de este problema, adem ́as de acoplar satisfactoriamente dos escalas, es el correcto uso de los potenciales de cada fase, fuente de mucha discrepancia en la literatura electroqu ́ımica. Como perspectiva, se pretende incorporar los efectos de la doble capa al modelo, pero no a trav ́es del uso del concepto de circuitos equivalentes [4] usando elementos capacitivos, sino a trav ́es de principios f ́ısicos empleando modelos de doble capa, ecuaciones de Maxwell y balances de masa.Referencias[1] Resource World Magazine, https://resourceworld.com/lithium-triangle[2] M. Doyle, T.F Fuller, J. Newman, J. Electrochem. Soc. 140 6 (1993) 1526[3] T.F. Fuller, M. Doyle, J. Newman, J. Electrochem Soc. 141 1 (1994) 1[4] N. Legrand, S. Rael, B. Knosp, M. Hinaje, P. Desprez, F. Lapicque, J. Power Sources, 251 (2014) 370