Un moyen plus simple de prédire les performances de la batterie pour améliorer la conception
Le nouveau modèle analytique fournit un moyen plus rapide de savoir comment les matériaux de batterie fourniront certains résultats.
Ajuster leur chimie peut être un bon moyen d’améliorer les performances des futures conceptions de batteries. Mais les chercheurs de l’Université Rice ont également trouvé un autre moyen : une nouvelle technique de modélisation 100 000 fois plus rapide que les méthodes actuelles pour prédire les performances des batteries.
Le nouveau modèle analytique est différent des techniques comparables en ce qu’il ne nécessite pas de simulation numérique complexe – qui peut être longue et coûteuse – pour éclairer la sélection et la conception des composants de la batterie afin d’avoir une bonne idée de la façon dont ils interagiront dans s’entraîner.
L’équipe, composée de Ming Tang, professeur adjoint de science des matériaux et de nano-ingénierie, et de l’étudiant diplômé Fan Wang de la Brown School of Engineering de l’Université Rice, a utilisé une approche différente de celle traditionnellement utilisée pour modéliser les performances des batteries afin de fournir des résultats plus rapides.
« Presque tous ceux qui conçoivent et optimisent les cellules de batterie utilisent une approche bien établie appelée simulations P2D (pour pseudo-bidimensionnelle), qui sont coûteuses à exécuter », a-t-il déclaré dans un communiqué de presse.
Cette méthode est cependant problématique, surtout si vous souhaitez optimiser les cellules de batterie en raison de leurs «nombreuses variables et paramètres qui doivent être soigneusement réglés pour maximiser les performances», a-t-il déclaré.
Une approche différente
Le modèle conçu par l’équipe peut accélérer le processus de conception en offrant des informations plus simples sur les performances des matériaux qui ne peuvent pas nécessairement être glanées à partir de simulations numériques, a déclaré Tang.
Le résultat est un modèle qui fournit une précision des performances de la batterie de 10 % supérieure à celle des algorithmes de calcul, afin que les scientifiques puissent évaluer plus rapidement la capacité de débit d’une batterie. De plus, l’équipe a rendu le modèle disponible gratuitement en ligne afin que d’autres scientifiques puissent également l’utiliser.
En règle générale, lors de l’optimisation des batteries, les scientifiques doivent décider s’ils doivent concevoir des appareils qui stockent plus d’énergie ou qui ont une densité de puissance plus élevée, c’est-à-dire la vitesse à laquelle ils peuvent libérer cette énergie stockée. Cette combinaison de qualités dans une batterie dépend des matériaux utilisés et de leur configuration, ainsi que des structures internes de l’appareil, telles que la porosité.
La modélisation informatique des performances de la batterie en fonction de ces paramètres est une affaire qui prend du temps, a expliqué Tang.
« En règle générale, vous devez effectuer des dizaines de milliers de calculs et parfois plus pour rechercher l’espace des paramètres et trouver la meilleure combinaison », a-t-il déclaré dans un communiqué de presse. « Ce n’est pas impossible, mais cela prend vraiment beaucoup de temps. »
Modèles de recommandations
Le modèle prend un temps considérablement plus court pour proposer des paramètres viables pour optimiser les batteries. De plus, il peut être implémenté dans des logiciels facilement disponibles comme MATLAB et Excel, et même sur une calculatrice.
L’équipe a publié un article sur leur travail dans la revue Rapports de cellule Sciences physiques.
Pour tester l’efficacité du modèle, les chercheurs l’ont fait rechercher la porosité et l’épaisseur optimales d’une électrode dans les batteries communes pleines et demi-cellules, cette dernière ne comportant qu’une seule électrode.
Le modèle a fourni une prédiction de performance selon laquelle les électrodes avec un comportement de « réaction uniforme », telles que l’oxyde de nickel-manganèse-cobalt et de nickel-cobalt-aluminium, sont les mieux adaptées aux applications qui nécessitent des électrodes épaisses pour augmenter la densité énergétique.
Une autre solution de conception fournie par le modèle lors des tests consistait à suggérer que les demi-cellules de batterie ont une capacité de débit intrinsèquement meilleure, ce qui signifie que leurs performances ne sont pas un indicateur fiable de leurs performances dans les cellules complètes utilisées dans les batteries commerciales.
