Modellering av batterimaterial och celler
Beräkningssimuleringar hjälper oss att studera stabilitet vid elektrod/elektrolytgränssnittet, jontransport, den strukturella utvecklingen av elektroder under cykling, strömfördelning i battericellen m.m.
Vi arbetar brett med beräkningstekniker som ab initio-beräkningar, Densitetsfunktionsteori, Molecular Dynamics-simuleringar och Finita Element Methods för att studera relevanta frågor för molekyler, material, gränssnitt och cellkemi i batterier. Vi länkar också dessa metoder på ett multi-skala sätt och implementerar verktyg för maskininlärning för att förutsäga beteendet hos olika kemier i batterier. Beräkningssimuleringar hjälper oss att studera stabilitet vid elektrod/elektrolytgränssnittet, jontransport, den strukturella utvecklingen av elektroder under cykling, strömfördelning i battericellen och flera andra frågor.
Den reaktiva ytan
Ytan på elektrodmaterial är mycket reaktiv. Detta leder till nedbrytning av elektrolyt och bildning av nya ytskikt, som i slutändan styr batteriets prestanda. Dessa processer och föreningar är svåra att studera, men beräkningstekniker kan idag belysa flera av dessa frågor. Detta kan hjälpa oss att skräddarsy ytkemin.
Figur 1. Polymerer som sönderdelas på en Li-metallyta.
Polymerelektrolyter
Polymerelektrolyter kommer att vara avgörande för realiseringen av solid state-batterier med högre energitäthet och förbättrade säkerhetsegenskaper. Dessa material är dock mycket komplexa. DFT och MD är utmärkta verktyg för att studera kritiska frågor av olika slag: den elektrokemiska stabiliteten hos olika polymerer och salt, hur de organiserar sig på olika elektrodytor och hur joner transporteras i elektrolyten och in och ut ur elektrodmaterialen.
Förstå experiment
Mycket av de experimentella resultaten inom batteriforskning behöver avancerade tolkningar. Beräkningssimulerade resultat – både elektrokemiska, från spektroskopi och diffraktion – kan starkt hjälpa denna process genom att föreslå nedbrytningsvägar, strukturella förändringar under interkalering, den spektroskopiska profilen av molekylära segment, etc.
Figur 2. Belysande av fotoelektronspektroskopidata genom DFT-modellering.
Modellera cellen
För att fånga fenomen i batteriet som dyker upp under längre användning, så kallad åldrande, är det nödvändigt att bygga en elektrokemisk modell av hela cellen. Dessa modeller kan sedan anpassas för olika användningsscenarier, till exempel bilapplikationer, tunga maskiner eller flygtransporter. Dessa modeller är också användbara när du förutsäger batteribeteende, undviker flaskhalsar och implementerar nya material med nya egenskaper.
Figur 3. Ström- och temperaturfördelning i en ultraporös elektrod.
Metodutveckling
Beräkningsmaterialvetenskap går idag snabbt framåt, med flera nya tekniker som används. Vi arbetar i detta sammanhang med evolutionära algoritmer, som kan hjälpa oss att screena ett väldigt stort antal potentiella strukturer av molekyler och material. Vi arbetar också med maskininlärningsmetoder, där vi kan konstruera och använda databaser för att hitta bättre presterande batterimaterial.
Referenser
- Assessing structure and stability of polymer/lithium-metal interfaces from first-principles calculations. https://uu.diva-portal.org/smash/record.jsf?pid=diva2:1314902
- Insights into the Li-Metal/Organic Carbonate Interfacial Chemistry by Combined First-Principles Theory and X-ray Photoelectron Spectroscopy. https://uu.diva-portal.org/smash/record.jsf?pid=diva2:1285498
- Ion Transport in Polycarbonate Based Solid Polymer Electrolytes: Experimental and Computational Investigations. https://uu.diva-portal.org/smash/record.jsf?pid=diva2:798456
- Modelling the morphological background to capacity fade in Si-based lithium-ion batteries. https://uu.diva-portal.org/smash/record.jsf?pid=diva2:1170518
- Initial Steps in PEO Decomposition on a Li Metal Electrode. https://uu.diva-portal.org/smash/record.jsf?pid=diva2:1365287
Samarbetsparter
Mer information kommer.
Kontakt
- Om du har några frågor om vår forskning så är du välkommen att kontakta programansvarig professor Daniel Brandell.
- Daniel Brandell