فهرست نشریات علمی دسترسی آزاد ایران

مقدمه : باتری‌های لیتیوم-یون در صنایع گوناگون به طور گسترده‌ای مورد استفاده قرار گرفته‌اند و طراحی سل پاکتی به دلیل انعطاف‌پذیری و ساختار سبک‌وزن توجهات زیادی را به خود جلب کرده است. تخلخل الکترودها نقش حیاتی در تعیین انتقال یون‌های لیتیوم طی چرخه‌های شارژ-دشارژ ایفا می‌کند، به‌طوری که تخلخل بهینه‌سازی‌شده موجب نفوذ یونی کارآمدتر و مقاومت داخلی کمتر می‌شود. با این حال، تخلخل بیش از حد یا ناکافی هر دو می‌توانند منجر به اثرات منفی بر پایداری مکانیکی و عملکرد الکتروشیمیایی شوند. روش : در این مطالعه در این مطالعه، یک مدل الکتروشیمیایی سه‌بعدی از سل پاکتی لیتیوم-یون NCA-گرافیت با استفاده از نرم‌افزار کامسول توسعه داده شد. این مدل، نفوذ یون لیتیوم درون ذرات جامد فعال (با استفاده از قانون فیک)، انتقال یونی در فاز الکترولیت و واکنش‌های الکتروشیمیایی سطحی (توصیف‌شده توسط معادله باتلر-ولمر) را شبیه‌سازی می‌کند. پارامترهای سینتیکی کلیدی شامل ضرایب انتقال بار و چگالی جریان تبادلی برای هر دو الکترود، با استفاده از روش بهینه‌سازی سراسری کارآمد (EGO) و بر مبنای داده‌های تجربی منحنی‌های ولتاژ-ظرفیت کالیبره شدند. مدل بر اساس تطابق با داده‌های تجربی اعتبارسنجی شد و سپس برای بررسی تأثیر تخلخل آند و کاتد (در محدوده ۲۰ تا ۴۰ درصد) بر عملکرد سل به کار گرفته شد. یافته ­ها : کالیبراسیون مدل منجر به تطابق نزدیک بین شبیه‌سازی و داده‌های تجربی با خطای ۴ درصد گردید. ضرایب انتقال بار بهینه‌سازی‌شده رفتار نامتقارن سینتیک واکنش‌های درج و خروج لیتیوم را نشان دادند و چگالی جریان تبادلی به‌دست‌آمده برای کاتد (A m -2 76/2) در محدوده تجربی معتبر ۲ تا A m -2 5 قرار گرفت. بررسی اثر تخلخل نشان داد که افزایش تخلخل کاتد از %20 به %40، میانگین ولتاژ دشارژ را از 6686/3 به 6117/3 ولت کاهش می‌دهد. در مقابل، آند رفتار غیریکنواختی از خود نشان داد: افزایش تخلخل از %20 به %30 موجب کاهش ولتاژ به 6117/3 ولت شد، اما افزایش بیشتر تخلخل به %40 ولتاژ را به 6726/3 ولت رساند. تحلیل پروفایل‌های سه‌بعدی غلظت الکترولیت نشان داد که در آند، محدودیت اصلی انتقال جرم در فاز الکترولیت است (کاهش سه‌برابری گرادیان غلظت در تخلخل %40)، در حالی که در کاتد، افت سطح فعال واکنش عامل تعیین‌کننده عملکرد است. نتیجه­ گیری : این مطالعه نشان داد که بهینه‌سازی تخلخل در سل پاکتی لیتیوم-یون باید به‌طور مستقل و بر اساس مکانیسم محدودکننده غالب هر الکترود انجام شود: در کاتد NCA تخلخل پایین‌تر به دلیل حفظ سطح فعال بالاتر عملکرد بهتری دارد، در حالی که در آند گرافیتی، تخلخل بالاتر (%40) با بهبود چشمگیر انتقال جرم در الکترولیت موجب افزایش ولتاژ دشارژ می‌شود. مدل توسعه‌یافته با فرضیات واقع‌بینانه، چارچوبی قابل اعتماد برای طراحی ریزساختار الکترودها فراهم می‌کند.