Modelowanie akumulatorów litowo-jonowych nowej generacji
Akumulatory są przenośne, mają wysoką sprawność przemiany energii i nie emitują gazów. Są bardzo obiecujące w szczególności z uwagi na dwa z najważniejszych zastosowań magazynowania energii: pojazdy elektryczne i technologia inteligentnej sieci energetycznej. Akumulatory Li-ion mają najwyższą gęstość magazynowania energii spośród wszystkich technologii akumulatorów wielokrotnego ładowania. Aby umożliwić przewidywane zastosowanie na szeroką skalę, rozwiązaniem mogą być litowe elektrody kompozytowe z uwagi na ich wyjątkowe zdolności. Jednak intensywne rozszerzanie się i kurczenie podczas cyklu ładowania i rozładowania może szybko prowadzić do niepowodzenia. Obecnie producenci akumulatorów Li-ion w Azji i Stanach Zjednoczonych mają wyraźną przewagę konkurencyjną nad producentami w UE. Aby pomóc rozwiązać ten problem, naukowcy opracowali modele teoretyczne i obliczeniowe materiałów i procesów w różnych skalach w ramach finansowanego przez UE projektu LISF (Mechanics of energy storage materials: Swelling and fracturing in lithium ion batteries electrodes during charging/discharging cycles). Badacze udoskonalili najnowocześniejsze metody homogenizacji obliczeniowej, które łączą mikroskopowe i makroskopowe zjawiska używając strategii wieloskalowej z wielocząsteczkową reprezentatywną jednostką objętości (reprezentatywny element objętości (RVE)). Udoskonalone algorytmy prawidłowo traktują elektroobojętność jako założenie raczej niż fundamentalne prawo i w pełni wykorzystują równania Maxwella opisujące elektryczność i magnetyzm. Separacja skali jest traktowana z ostrożnością ze szczególnym naciskiem na separację skali-czasu, co dotychczas nie było ujmowane w takich modelach. Założenie masy stanu ustalonego i transportu ładunku w skali mikro usunięto i wprowadzono zależne od czasu przejścia skali. Na koniec, warunek Hilla-Mandela rządzący separacją skali, drugi najważniejszy element hipotezy continuum poza RVE, został rozszerzony. Symulacja transportu jonowego 1D w elektrolicie akumulatora Li-ion doskonale odtworzyła dane opisane w literaturze. Co więcej, osiągnięto to bez sprzeczności teoretycznych obecnych przy innych podejściach dzięki włączeniu równań Maxwella. Analiza zachowań mikrostrukturalnych 2D separatora wielofazowego dodatkowo zatwierdziła uwzględnienie mechanizmów mikroskopowych. Wyniki przedstawiono w licznych publikacjach. Wykazano, że elektrochemiczne i mechaniczne właściwości akumulatorów litowych silnie zależą od interakcji między zjawiskami makro- i mikro-skali. Wyniki powinny mieć istotny wpływ na projekty akumulatorów Li-ion nowej generacji, rozpoczynając nową erę bezprzewodowej i zrównoważonej elektryczności oraz nową erę dla producentów akumulatorów w UE.
