Induktivni odziv baterijskih materialov s fazno separacijo

Datum objave:

3. 3. 2023

Oznaka:

Raziskovalni dosežki
Univerzitetna služba za raziskovalno dejavnost
Raziskovanje
CTR 9
UL FS

Razumevanje procesov v baterijah je ključnega pomena za njihovo ustrezno zasnovo, nadzor, krmiljenje in analizo stanja napolnjenosti, zdravja ter varnosti baterij. Fizična zaznavala so zelo pomembna za podporo naprednega razvoja in delovanja baterij. Njihovo sklapljanje z virtualnimi modeli pa omogoča izkoriščanje multiplikativnih učinkov, saj mehanistično osnovani modeli odstirajo globlji vpogled v fenomenologijo procesov in omogočajo njihovo poglobljeno razumevanje.

Raziskovalci Fakultete za strojništvo, Laboratorija za motorje z notranjim zgorevanjem in elektromobilnost (LICeM) so v sodelovanju z dansko Tehniško univerzo (DTU) prvi izračunali celoten elektrokemijski impedančni spekter nanodelca materiala LiFePO₄, ki je eden najpogosteje uporabljenih materialov v litij ionskih baterijah. Presenetljiv rezultat, ki kaže močno induktivno obnašanje nanodelca materiala s fazno separacijo v nizko-frekvenčnem delu spektra (slika), je objavljen v priznani reviji Energy Storage Materials (IF: 20,831).

Elektrokemijska impedančna spektroskopija (EIS) je zelo učinkovita neinvazivna metoda za analizo električnega odziva različnih kemijskih sistemov na periodične perturbacije. Za pravilno interpretacijo impedančnih spektrov izmerjenih z metodo EIS je ključen natančen matematični model preučevanega sistema. Raziskovalci so matematični model za analizo impedančnih spektrov osnovali na teoriji faznega polja. Fizikalno-kemijsko konsistenten model je omogočil virtualni vpogled v fenomenologijo procesov, ki so značilni za tako imenovan kemijski induktor – nedavno odkrit fenomen. Do sedaj so namreč procese v aktivnih materialih delcev baterij povezovali predvsem z rezistivnimi in kapacitivnimi efekti, pri katerih tok fazno prehiteva napetost. Rezultat mehanistično osnovanega modela materiala s fazno separacijo, ki v procesu dovolj počasnega polnjenja oz. praznjenja baterije napove ločitev na LiFePO₄ in FePO₄ fazo, pa jasno nakažejo tudi na induktivne efekte, pri katerih napetost fazno prehiteva tok, v širokem razponu stopnje litiacije materiala.

Prebojno spoznanje predstavljeno v članku pojasni, da so induktivni efekti posledica hitre in v splošnem heterogene (de)interkalacije litija v aktivni material, ki ustvari gradiente kemijskega potenciala in počasne difuzije litija med domenami, ki stabilizirajo fazne meje. Raziskovalci so rezultate povezali tudi z eksperimentalnimi opažanji objavljenimi v literaturi, ki do sedaj še niso bila razložena, in na ta način še podkrepili pomembnost svojega odkritja.

Objavljeni rezultati pomembno vplivajo na razumevanje elektrokemijskih procesov materialov s fazno separacijo in tudi na interpretacijo spektrov materialov s fazno separacijo izmerjenih z metodo impedančne spektroskopije. Oboje pripomore k učinkovitejšemu modelsko osnovanemu napovedovanju stanj v baterijah, ki so izdelane iz materialov s fazno separacijo, in je ključnega pomena za ustreznejši nadzor in krmiljenje takšnih baterij.

Podatki o članku:

ZELIČ, Klemen, MELE, Igor, BHOWMIK, Arghya, KATRAŠNIK, Tomaž. Phase separating electrode materials - chemical inductors?. Energy storage materials. Feb. 2023, vol. 56, str. 489-494, ilustr. ISSN 2405-8297. https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2405829723000090,

DOI: 10.1016/j.ensm.2023.01.008 (JCR IF= 20.4)