Projekti / Programi
Nova generacija elektrokemijskega baterijskega modela LiFePO4
| Koda |
Veda |
Področje |
Podpodročje |
| 2.03.00 |
Tehnika |
Energetika |
|
| Koda |
Veda |
Področje |
| T140 |
Tehnološke vede |
Energijske raziskave |
| Koda |
Veda |
Področje |
| 2.03 |
Tehniške in tehnološke vede |
Mehanika |
Insercijske baterije; LiFePO4; modeliranje; eksperimenti; več-skalni modelski pristop; validacijsko podprti modelski pristopi
Raziskovalci (9)
Organizacije (2)
Povzetek
Celice LiFePO4 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 LiFePO4 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.
Pomen za razvoj znanosti
Predlagani projekt prispeva k novim raziskovalnim smerem na več načinov. Premika meje modeliranja in razumevanja pojavov v insercijskih baterijah ter tako poleg zagotavljanja jasnih prispevkov, ki presegajo najsodobnejše dosežke, kar odpira nove perspektive, tudi stimulira in podaja osnovne smernice za premoščanje vrzeli med bazično znanostjo materialov in aplikacije te znanosti na ravni uporabljenih modelov v inženirskem okolju. Projekt poleg tega prvič premošča skale od ravni delca do ravni celice in še bolj pomembno, inovativno usklajuje te skale v simulacijskem in eksperimentalnem okolju z namenom kredibilnega umerjanja modelov. Predlagani razvoj inovativne in napovedovalne nove generacije elektrokemijskega baterijskega modela LiFePO4 za modeliranje elektrokemijskih, transportnih in termičnih pojavov vključujoč stranske reakcije v insercijskih baterijah je tako sam po sebi inovativen, kar je jasno izraženo s strukturiranim opisom posameznih delovnih paketov v poglavju 13 te projektne prijave.
Naštete lastnosti inovativnega modela so ključne za verodostojno analizo in interpretacijo lokalnih pojavov ter navezovanjem le teh s pojavi na ravni celice. To so ključni elementi, ki bodo izboljšali osnovno znanje na področju insercijskih baterij. Inovativna sklopitev modelov za simulacijo elektrokemijskih, transportnih, termičnih in pojavov stranskih reakcij premika meje v smislu izboljšanega razumevanja in možnosti zasnov insercijskih baterij z boljšimi zmogljivostmi in nižjimi proizvodnimi stroški ter zagotavlja osnovo za virtualne analize varnostnih aspektov. Tako bo možno prvič napovedati makroskopski efekt na ravni celice s hkratnim doslednim upoštevanjem nanoskopskih pojavov. Vse naštete lastnosti bolj sistematično podpirajo razvoj naslednje generacije močnejših, trajnejših, stabilnejših in varnejših baterij.
Ker sta oba projektna partnerja močno vpeta v mednarodno elektrokemijsko in inženirsko skupnost, bodo izročki projekta promovirani v mednarodnih projektih znotraj elektrokemijske skupnosti in v projektih z večjimi ponudniki profesionalnih modelirnih orodij za pogonske sklope vozil. To bo ustvarilo multiplikativen znanstveni vpliv projektnih rezultatov.
Predlagani projekt zato vsebuje pomemben neposreden znanstveni učinek zaradi premikanja meja v modeliranju insercijskih baterij, ki obsega inovativne modelske pristope, inovativne eksperimente in inovativne validacijsko podprte pristope razvoja modelov z naprednimi interakcijami modelov in eksperimentov.
Pomen za razvoj Slovenije
Relevantnost in potencialni učinek rezultatov projekta sta velika. Celice LiFePO4 in druge insercijske baterije se obravnavajo kot prevladujoča baterijska tehnologija v električnih vozilih in v mnogih drugih mobilnih aplikacijah. Kljub njihovi razširjenosti pa so osnovni pojavi v celicah še vedno nepojasnjeni, kar 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 ko nepopolno poznavanje osnovnih mehanizmov onemogoča optimizacijo komponent in njihovo pravilno uporabo, nadzor ter kondicioniranje. Poleg tega hitro polnjenje, ki je eden od pomembnejših kriterijev v elektromobilnosti, poslabšuje varnostne kazalnike in zagotovo kliče po optimizaciji ne le same zasnove celic, ampak tudi celotnega sistema z vključenim električnim in hladilnim sistemom upravljanja baterijskih celic, ki so naslednje pomembno področje uporabe za baterijske modele na sistemski ravni.
Predlagan inovativen simulacijski model bo imel tudi neposredno korist za gospodarstvo, ker bo prvič napovedal makroskopski efekt na ravni celice z doslednim upoštevanjem nanoskopskih pojavov. Nadalje, razvite strategije redukcije modela, povezljivost in interoperabilnost modelov dodatno promovirajo pomembnost razvitega modela za industrijske aplikacije s končnim neposrednim družbenim učinkom.
Izročki projekta, ki premikajo meje znanja na področju insercijskih baterij in obsegajo virtualna orodja za bolj natančno raziskavo prostora potencialnih zasnov na ravni celice, bodo prednostno podpirali razvoj močnejših, trajnejših, stabilnejših in varnejših baterij. Razvit model bo v primerjavi z obstoječimi modeli omogočal učinkovitejše približevanje inženirskim mejam. Nadalje bo model dovoljeval učinkovitejšo in natančnejšo optimizacijo interakcij med različnimi domenami v virtualnem okolju in bo zato omogočal razvoj baterijskih paketov z višjo učinkovitostjo in zmogljivostjo. Zaradi teh lastnosti bodo izročki projekta hkrati skrajševali razvojni čas in število iteracij ter posledično stroške. Izročki projekta bodo prav tako prispevali k znižanju zahtev po fizičnem testiranju in ključno pripomogli k preprečevanju napačnih inženirskih rešitev, kar v nasprotju z njihovim odpravljanjem dodatno skrajšuje razvojni čas in stroške.
Ekonomske in družbene koristi projekta bodo poleg publikacij promovirane tudi preko prenosa bazičnega in aplikativnega znanja v izdelkih domačih in mednarodnih parterjev. Oba partnerja sta namreč intenzivno vključena v industrijske projekte. Podobno kot drugi modeli, razviti v LICeM, je zelo verjetno, da bo izbrana konfiguracija razvitega modela v prihodnosti prav tako implementirana v profesionalnih komercialnih simulacijskih orodjih.
Najpomembnejši znanstveni rezultati
Zaključno poročilo
Najpomembnejši družbeno–ekonomsko in kulturno relevantni rezultati
Vmesno poročilo,
zaključno poročilo
