古典的な化学の質問に答えるための新しい電池モデルの開発

フランダース技術研究所(VITO / EnergyVille)とKU Leuvenの研究者は, 半固体流れ電池の疑似3次元モデルを開発し, 流量が粒子の放電にどのように影響するか, セル電圧がどのように影響するかなど, 設計上の質問に対する信頼できる回答を見つけました.

Brianne Christopher 著
2020 10月

プロセス, 部品, またはデバイスの開発には, ある程度の試行錯誤が伴います. 最初から完璧なものはありません. モデリングアプローチ自体に関しても同様です. たとえば, 半固体流れ電池(SSFB)のモデリングを考えてみましょう. これは, バナジウムレドックス流れ電池(VRFB)に似ていますが, 固体粒子を運ぶ液体電解質を含む革新的なタイプの流れ電池です. 最近まで, SSFBに関する文献はまばらでした.

Kudakwashe Chayambuka氏は, 現在, Flemish Institute for Technical Research(VITO/EnergyVille)のエネルギー技術ユニットの Grietus Mulder氏と, VITOの上級科学者である Xochitl Dominguez氏, およびルーベンカトリック大学の JanFransaer 教授によって共同研究されています. SSFBモデリングにおけるこの研究ギャップに対処するために着手しました.

SSFBシステムの初期の研究では, 活性粒子内で発生する輸送メカニズムとして拡散と対流を考慮したモデルが使用されていました. 問題?この仮定は, 物理的にも概念的にも間違っています. 「これらのモデルは, 電荷が流れる粒子の内部に含まれている場合, 対流を想定しています」とChayambuka氏は言います. 「元のモデルの方程式は維持されず, 物理的でもありません」とFransaer氏は言い, モデルを「怪しい」と言います.

「私たちは適切な物理学をモデル化しようとしました」とChayambuka氏は続けます. この場合, 「適切な物理学」とは, 分子拡散がSSFBの固体活性粒子内で発生する唯一の輸送メカニズムであるという事実を指します. それらのバルク運動は, この分子輸送メカニズムとは関係ありません. チームは, SSFBの動作と周囲の物理を正確に説明できるSSFBをモデル化する新しい方法を開発しました.

電池の戦い

流れ電池は, 発電容量とエネルギー貯蔵容量を分離(および独立してスケールアップ)することができます. では, 半固体流れ電池(図1)が特別な理由は何ですか?「SSFBは非常に興味深く, 実現するのが非常に困難です. 蓄えることができるエネルギーの量に制限はありません」とFransaer氏は言います. このタイプの電池は, 体積エネルギー密度が高いため, 多くのアプリケーションで有益です. 実際, 既存のバナジウムレドックス流れ電池(VRFB)の10倍の容量のストレージを提供します.

図1. 半固体流れ電池の概略図.

リチウムイオン電池と同じ材料をベースにした場合, SSFBは理論的には最高のエネルギー密度を提供しますが, 製造コストが高く, 毒性のリスクが高いなど, いくつかの欠点があります. ニッケル水素(NiMH)材料で作られたSSFBには, これらの問題を回避するために水酸化カリウムの水性電解質が含まれています.

SSFBのタイプに関係なく, 対処すべき主要な設計上の課題があります. 研究者は, 設計内で発生する速度論および輸送プロセスを正確に記述する電気化学モデルを必要としています. そこで, 研究グループとその斬新なモデリングアプローチが活躍します.

電池モデリング:今や疑似3D

研究者たちは, SSFBのモデル化を成功させるには, マクロスケールドメインとマイクロスケールドメイン間の相互作用, および複数の物理プロセスを同時に正しく説明できる必要があることに気づきました. 「SSFBは他の電池と比較して非常に複雑な系です. たとえば, スラリーには適切な粘度が必要です」とDominguez氏は言います. 「何が起こっているかを予測するには, それをモデル化する必要があります. 実験には時間がかかりすぎ, 複雑すぎます. 」

グループは, COMSOL Multiphysics® ソフトウェアが彼らの研究が必要とするマルチフィジックスおよびマルチスケール機能を提供することを発見しました. さらに, COMSOL® ソフトウェアで可能な正確で効率的な電気化学的モデリングにより, NiMHSSFB系の最適化とスケールアップが容易になります. 「このようなシミュレーションは, 実際には COMSOL® でのみ可能です」とMulder氏は言います.

マルチフィジックスとマルチスケールモデリングの両方の必要性とは別に, SSFBは別のユニークなモデリングの課題を提示します. 電池にはアクティブな粒子が含まれているため, モデルには粒子トレースを含める必要があります. ただし, 2つの研究には互換性がないため, 流体力学分析を完全な粒子追跡アプローチと組み合わせることができません. 研究者たちは, 2段階のアプローチでこの問題に取り組みました. 最初に, 彼ら は2Dで非流動SSFB系の電極運動をモデル化しました(図2). 2Dモデルは, 電解質の濃縮および希釈溶液理論, 固体活性粒子の物質収支, 電流収支, 反応速度, モデル形状などの最適化されたパラメーターを選択できる最初の近似として機能しました.

図2.SSFBのP3Dモデル.

次に, 研究者は2Dモデルを流れるSSFB系の疑似3D(P3D)モデルに拡張しました. 「時間領域で離散化されたフィジックスを含むほぼ粒子追跡モデルを作成したかったのです. その後, 停止して求解し, 粒子の位置を更新して, 適切な結果を生成するために再開します」とChayambuka氏は言います. 「電池の流れ全体をモデル化するには, P3Dジオメトリが必要でした. 」そのためにチームは, 個別のドメイン内のすべての従属変数と, 対応する座標でさまざまなジオメトリで使用できるようにする必要のある関連変数を決定しました. 「 COMSOL Multiphysics® の押し出しオペレーター機能により, 2Dドメインと3Dドメインを簡単にリンクできました」と彼は言います. 押し出しカップリング機能により, シミュレーションのすべてのタイムステップで別々のジオメトリ間で変数をマッピングすることもできました.

チームは, P3Dモデルを使用して, 非圧縮性ニュートン流体のナビエ・ストークス方程式による電解質内の輸送など, SSFBの流体力学的効果を説明することができました. 純粋な拡散によってモデル化された水素インターカレーションプロセスを含む, 固相での輸送も同様です. チームは, 偏微分方程式(PDE)を使用して, アクティブ粒子内の時間依存拡散方程式を解きました.

研究者たちはまた, LiveLink™ for MATLAB® インターフェース製品が特に役立つこと を発見しました. LiveLink™ for MATLAB® をモデリングワークフローに導入する前 は, 研究者は自動化されたP3Dプロセスを持っていませんでした. つまり, シミュレーションを繰り返し実行し, 粒子の位置を変更してから, 最初からやり直す必要がありました. このプロセスは, 最初にプロジェクトを開始したときには問題ありませんでしたが, グループはすぐに, 必要な結果を見つけるのに長い時間がかかることに気付きました. また, この方法ではエラーが発生しやすくなりました. 後で LiveLink™ 機能をプロセスに導入したとき, Chayambuka氏は, 「結果の生成が非常に簡単になり, 常に コンピューターの後ろにいる必要はありません」と述べています.

流量, 充電状態, およびエネルギー出力

2Dモデルの結果を通じて, 研究者はSSFBの利用可能な電荷のすべてが均等に使い果たされているわけではないことを発見しました. 実際, 各粒子の放出の程度は, その位置によって異なります. P3Dモデルは, 電池の流量が粒子の放電にどのように影響するかを研究者に示しました. これは, 電池セルの動的挙動を分析するための重要な要素です.

チームは, 高流量では, セル電圧がほぼ安定していることを発見しました. 放電電流が増加すると, 初期電圧と定常状態電圧の電圧差が増加します. 低流量の場合, 初期段階と定常状態段階の間の電圧差がより顕著になります(図5). 流量がセルの動的挙動にどのように影響するかを理解することにより, さまざまな流量のSSFBを設計し, 特定の初期条件のセットの定常状態を予測できます.

図3. P3D NiMHSSFBモデルにおける低流量と高流量のSOC分布の比較.

プロジェクトの最もエキサイティングな側面の1つは, SSFBの流量動作がモデルで示されるのはこれが初めてであるということです. さらに, 実験的なSSFBは, COMSOL Multiphysics® に見られるものと同様の過渡プロファイルを示しており, このタイプの研究に対するP3Dモデルの有効性を示しています.

バッテリー研究の未来を充電する

P3Dモデルを通じて, 研究チームはSSFBの動作をモデル化する新しい方法を示しました. このモデルを使用して, 流体力学的現象と電気化学的現象の関係を視覚化することができ, さまざまなタイプの電池の設計を調査する新しい方法を提供しました. 次のステップには, モデル材料への相変化効果の導入, 非ニュートン挙動の導入, 電解質と同じレオロジー挙動を持つ炭素-水懸濁液を使用した実験によるシミュレートされた流れ場の検証が含まれます.

「私たちの希望は, このモデルを他のタイプのフ流れ電池に適用し, 他の化学物質をテストすることです. これは興味深いことです」とChayambuka氏は言います. さらに, 「この種のモデルは他のモデルに外挿することができます. 系は同じ原理を使用しているためです」と Dominguez氏は言います. 挙げた1つの例は, 粒子ベースの廃水処理系です.

グループは, 作業を継続することで, SSFBモデルを検証する実験系を実現できると考えています. これにより, エネルギー損失と最適化された条件をモデル化する方法をさらに検討できるように, より多くの関心と資金が生み出されます. 電池設計を改善し, それらがどのように機能するかをよりよく理解することで, 電池メーカーがエネルギーを蓄え, 電力を生成する方法を改善できます.



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