Modelado de parámetros y cinéticas de carga-descarga en celdas de ión litio
2023
| Título | Modelado de parámetros y cinéticas de carga-descarga en celdas de ión litio |
| Nombre | BORTULÉ, María Sol |
| Directores | Dr. Fabio Daniel Saccone |
| Jurado | Dra. Andrea Barral |
| Lugar de realización | Y-TEC y Gerencia Investigaciones y Aplicaciones-CAC-CNEA |
Resumen
En el presente trabajo se realizó el modelado electroquímico de celdas de ion litio con electrodos de
LiFePO4 como material catódico, MCMB como material anódico, una solución 1M de LiPF6 en
disolventes orgánicos como electrolito y empleando un separador de fibra de vidrio. Una vez
confeccionado el modelo, se simularon diversas curvas de descarga para una celda tipo Swagelok
que se contrastaron con curvas de bibliografía para su validación.
El modelo empleado es el fomulado por Doyle-Fuller-Newman, conocido como DFN. Este modelo
implementa ecuaciones de conservación de masa y carga, transporte iónico en electrolito y difusión
de Li en los materiales activos y lo hace sobre un electrodo poroso, modelado como una serie de
partículas esféricas.
La herramienta empleada para implementar el modelo es PyBaMM: Python Battery Mathematical
Modeling una librería de Python open-source que incluye diversos módulos con las ecuaciones a
resolver y protocolos para discretizar y resolver la modelización.
Para confeccionar el modelo, se lo debe alimentar con diversos parámetros obtenidos de la
caracterización de celdas reales. En este trabajo, se realiza la caracterización física de los electrodos
mediante calibre y micrómetro, la electroquímica mediante la tecnica de espectroscopia de
impedancia electroquímica y finalmente una caracterización por imágenes superficial mediante
SEM y volumétrica mediante SEM-FIB.
Se obtuvieron valores experimentales de los coeficientes de difusión de Li en ambos materiales
activos, parámetros dimensionales y distribuciones de tamaños de partículas que fueron
implementados en el modelo.
Finalmente se lograron validar las hipótesis del modelo, y simular las curvas de descarga
mencionadas obteniéndose resultados que aproximan con buen acuerdo a las curvas reportadas en
bibliografía.
LiFePO4 como material catódico, MCMB como material anódico, una solución 1M de LiPF6 en
disolventes orgánicos como electrolito y empleando un separador de fibra de vidrio. Una vez
confeccionado el modelo, se simularon diversas curvas de descarga para una celda tipo Swagelok
que se contrastaron con curvas de bibliografía para su validación.
El modelo empleado es el fomulado por Doyle-Fuller-Newman, conocido como DFN. Este modelo
implementa ecuaciones de conservación de masa y carga, transporte iónico en electrolito y difusión
de Li en los materiales activos y lo hace sobre un electrodo poroso, modelado como una serie de
partículas esféricas.
La herramienta empleada para implementar el modelo es PyBaMM: Python Battery Mathematical
Modeling una librería de Python open-source que incluye diversos módulos con las ecuaciones a
resolver y protocolos para discretizar y resolver la modelización.
Para confeccionar el modelo, se lo debe alimentar con diversos parámetros obtenidos de la
caracterización de celdas reales. En este trabajo, se realiza la caracterización física de los electrodos
mediante calibre y micrómetro, la electroquímica mediante la tecnica de espectroscopia de
impedancia electroquímica y finalmente una caracterización por imágenes superficial mediante
SEM y volumétrica mediante SEM-FIB.
Se obtuvieron valores experimentales de los coeficientes de difusión de Li en ambos materiales
activos, parámetros dimensionales y distribuciones de tamaños de partículas que fueron
implementados en el modelo.
Finalmente se lograron validar las hipótesis del modelo, y simular las curvas de descarga
mencionadas obteniéndose resultados que aproximan con buen acuerdo a las curvas reportadas en
bibliografía.
Complete Title
Abstract
In the present work, the electrochemical modeling of lithium ion cells was carried out with LiFePO4
electrodes as cathode material, MCMB as anode material, a 1M LiPF6 solution in organic solvents
and using a glass fiber separator. Once the model was made, various discharge curves for a
Swagelok-type cell were simulated, which were contrasted with bibliographic curves for validation.
The model used is the one formulated by Doyle-Fuller-Newman, known as DFN. This model
implements equations of conservation of mass and charge, ionic transport in electrolyte, and
diffusion of Li in active materials, and it does so on a porous electrode, modeled as a series of
spherical particles.
The tool used to implement the model is PyBaMM: Python Battery Mathematical Modeling, an
open-source Python library that includes various modules with the equations to be solved and
protocols to discretize and solve the modeling.
To make the model, it must be fed with various parameters obtained from the characterization of
real cells. In this work, the physical characterization of the electrodes is carried out by means of
caliper and micrometer, electrochemical by means of the electrochemical impedance spectroscopy
technique and finally a characterization obtaining superficial images by means of SEM and
volumetric by means of SEM-FIB.
Experimental values of the diffusion coefficients of Li in both active materials, dimensional
parameters and particle size distributions that were implemented in the model were obtained.
Finally, it was possible to validate the hypotheses of the model, and simulate the aforementioned
discharge curves, obtaining results that approximate the curves reported in the bibliography with
good agreement.
electrodes as cathode material, MCMB as anode material, a 1M LiPF6 solution in organic solvents
and using a glass fiber separator. Once the model was made, various discharge curves for a
Swagelok-type cell were simulated, which were contrasted with bibliographic curves for validation.
The model used is the one formulated by Doyle-Fuller-Newman, known as DFN. This model
implements equations of conservation of mass and charge, ionic transport in electrolyte, and
diffusion of Li in active materials, and it does so on a porous electrode, modeled as a series of
spherical particles.
The tool used to implement the model is PyBaMM: Python Battery Mathematical Modeling, an
open-source Python library that includes various modules with the equations to be solved and
protocols to discretize and solve the modeling.
To make the model, it must be fed with various parameters obtained from the characterization of
real cells. In this work, the physical characterization of the electrodes is carried out by means of
caliper and micrometer, electrochemical by means of the electrochemical impedance spectroscopy
technique and finally a characterization obtaining superficial images by means of SEM and
volumetric by means of SEM-FIB.
Experimental values of the diffusion coefficients of Li in both active materials, dimensional
parameters and particle size distributions that were implemented in the model were obtained.
Finally, it was possible to validate the hypotheses of the model, and simulate the aforementioned
discharge curves, obtaining results that approximate the curves reported in the bibliography with
good agreement.
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