Modellazione numerica di batterie agli ioni di litio = Numerical modeling of a Lithium-Ion Battery

L’attenzione verso gli effetti provocati dall’inquinamento ambientale assume sempre più rilevanza, così lo studio di nuove tecnologie per l’accumulo di energia elettrica utilizzabile nei vari settori, es. quello dei veicoli elettrici, diventa fondamentale. Le batterie agli ioni di litio rispondono a questa esigenza grazie alla loro elevata densità energetica. Il comportamento di questi sistemi viene spiegato attraverso modelli matematici. Oggetto di questa tesi è quello di evidenziare come un modello 3D per la rappresentazione elettrochimica di una batteria agli ioni di litio possa essere utilizzato per mostrare i fenomeni di trasporto di specie e di carica al suo interno. Il suo utilizzo permette di tenere in considerazione alcuni fattori, es. la tortuosità, direttamente nella definizione della geometria senza l'utilizzo di relazioni semplificate, come avviene nel modello P2D che è il più in uso e descrive la batteria con una dimensione spaziale e una radiale. Il sistema elettrochimico è rappresentato tramite il modulo “Lithium-Ion Battery Model” all’interno del software commerciale ANSYS Fluent 2020 R2. Un metodo ai volumi finiti è utilizzato per la risoluzione delle equazioni di trasporto descrittive del sistema, le quali vengono calcolate sui nodi di una griglia poliedrica. I risultati sono stati ottenuti per due differenti tipologie di geometria. Le prime simulazioni sono state effettuate con una geometria 2D dove le curve di carica e scarica sono state ottenute con diversi valori costanti di corrente applicata. I risultati ottenuti mostrano come incrementando la velocità con cui scarichiamo e carichiamo il sistema, aumenti anche la sua resistenza interna dovuta ad effetti di polarizzazione che si vengono a creare per via delle reazioni elettrochimiche. L’aumento della corrente applicata porta al raggiungimento di un valore limite di potenziale in tempi via via più brevi, dovuto al fatto che gli ioni litio presenti diffondono in maniera più lenta all’interno degli elettrodi. Possiamo dire che il processo di intercalazione che avviene negli elettrodi è il fenomeno limitante, visti anche i sei ordini di grandezza di differenza tra il coefficiente di diffusione negli elettrodi e nell’elettrolita. Un aumento della velocità di scarica o carica della batteria ne influenza lo stato con conseguente diminuzione della sua capacità disponibile. I profili di concentrazione ottenuti nelle prove, mostrano come gli ioni di litio diffondano dall’anodo al catodo e viceversa, partendo da concentrazioni di litio intercalante pari al 100% di stato di carica. Le successive simulazioni sono state fatte su una geometria 3D. Si evidenzia anche qui l’influenza che ha la velocità di scarica sul potenziale e sullo stato di carica. Le batterie agli ioni di litio solitamente lavorano in un intervallo di circa 4-3.3 V. Le curve sono state definite per valori di 1C, 2C, 5C, 10C, dove il “C-rate” corrisponde alla velocità di scarica della batteria. Nella parte finale viene introdotta una resistenza dovuta alla formazione di uno strato di passivazione sulla superficie dell’elettrodo negativo, chiamato SEI, che incrementa la resistenza interna della batteria. Le simulazioni sono state effettuate a 2C e 5C con valori differenti e costanti di resistenza aggiuntiva. Confrontando i risultati ottenuti con quelli in assenza di SEI, si vede come esso influisca il voltaggio, diminuendo il tempo impiegato da ciascun ciclo. Si vuole mostrare come un modello 3D possa fornire maggiori dettagli nella modellazione di batterie.