Modelling the 3D-microbattery

Date

2012-05-08

Journal Title

Journal ISSN

Volume Title

Publisher

Abstract

Mikroelektroonika areng on paljudes tehnikavaldkondades võimaldanud luua väga väikesemõõdulisi seadmeid, näiteks sensorite, arvutus ja kommunikatsiooniseadmete ning akuga varustatud autonoomseid seadmeid, mis mahuvad umbkaudu 1 mm3 sisse. Selliste seadmete üheks oluliseks komponendiks on sobiv kaasaskantava energiaallikas. Kahjuks on tehnoloogia areng mikroakude vallas jäänud maha elektroonika miniaturiseerimisest – praegu kasutatavad akud on märkimisväärselt suuremad seadme ülejäänud osadest. Selle tühimiku täitmiseks on välja pakutud kolmemõõtmeliste mikroakude kontseptsioon. Sellises akus asendatakse tavapärased plaatelektroodid kolmemõõtmelise struktuuriga elektroodidega, kusjuures tagatakse elektroodide geomeetria teineteisele vastavus. Sedasi on võimalik valmistada mikroaku, kus erinevalt tavaakudest on ühendatud nii suur mahtuvus kui ka suur võimsus. Tavaakus toimub ioonide liikumine aku elektroodide vahel reeglina mööda sirgjoonelisi trajektoore mis muudab sellise aku oma olemuselt ühemõõtmeliseks. Kolmemõõtmeliste elektroodidega akus muutub olukord see-eest, keerulisemaks – ainuüksi kolmemõõtmeliste elektroodide kasutamine nõuab detailseid kolmemõõtmelisi geomeetrilisi mudeleid. Käesolevas doktoritöös on simuleeritud kolmemõõtmelist liitium-ioon akut, kasutades lõplike elementide meetodit. Simulatsioonid on läbi viidud erinevatel kolmemõõtmelistel geomeetriatel. Töö teoreetilises osas on välja töötatud algebralised võrrandid leidmaks statsionaarses seisundis elektrolüüdis elektrivälja ja ülepinget, mis lihtsustab oluliselt aku optimeerimise arvutusi. Kolmemõõtmelise aku vedela elektrolüüdi simulatsioonides uuriti põhilisi ioontranspordi omadusi mis ilmnevad kolmemõõtmeliste geomeetriate kasutamisel. Töö tulemusena selgus, et ioontransport kolmemõõtmelises geomeetrias sõltub oluliselt elektroodide kujust ning juhtivusest. Ühtlaseim voolutiheduse jaotus saavutati kui elektroodidel oli võrdne juhtivus. Voolutiheduse jaotust oli võimalik ühtlustada ka lähendades kolmemõõtmelist geomeetriat kahemõõtmelisele. Tühjakslaadimistsüklite simuleerimisel kolmemõõtmelises geomeetrias selgus, et ainult elektroodide võrdsest juhtivusest ei piisa, et tagada kolmemõõtmelise aku elektroodide optimaalne kasutus. Isegi võrdsete juhtivustega elektroodide puhul ei ole võimalik saavutada elektroodimaterjali ühtlast laadimist või tühjakslaadimist aku elektroodide geomeetriliste iseärasuste tõttu. Arvestades, et positiivse ja negatiivse elektroodi juhtivused ei ole reaalsete materjalide puhul võrdsed, ühtlustati järgnevates arvutustes elektroodide juhtivused, kasutades kolmemõõtmelisi voolukollektoreid, mis olid kaetud elektroodimaterjalidega. Voolutiheduse ühtlustamisele aitas kaasa ka polümeerelektrolüütide kasutamine vedelate asemel. Simulatsioonides selgus, et polümeerelektrolüüdid võimaldavad voolutiheduse jaotust olulisel määral ühtlustada samas, kui vedelad võimaldavad suuremaid voolutugevusi. Osutus, et ühtlane elektroodide tühjakslaadimine on võimalik saavutada kasutades ebaühtlase paksusega elektroodimaterjali kihti aku voolukollektoritel. Optimeerimise tulemus tagas kuni 2 kordset aku võimekuse kasvu võrreldes optimeerimata akuga. Läbi viidud uurimistöö võimaldab paremini mõista elektrokeemilisi protsesse mis leiavad aset kolmemõõtmelises mikroakus. See võimaldab omakorda parendada eksperimentaalseid meetodeid akude valmistamiseks või võtta kasutusele täiesti uusi tehnikaid ning lahendada paljusid praeguseid probleeme (n. sisemised lühised). Elektroodide optimeeritud geomeetria leidmine annab olulisi vihjeid eksperimentaalseteks töödeks ning võimaldab olulisel määral lihtsustada kolmemõõtmeliste elektroodide valmistamist.
Advances in several fields of technology, like microelectronics, small-scale medical devices etc. enable to prepare small scale devices, equipped with sensors, computational and communication circuits can fitted in a volume around 1 mm3. An important component of such equipment is a suitable portable power source. Unfortunately, technological advances in the field of micro-batteries are far behind the miniaturization of electronics – current microbatteries are significantly larger than other parts of the device. To fill this gap the three dimensional micro-battery concept has been proposed. In such cell, three dimensional conformal electrodes are assembled, combining large surface area with small ionic transport distances. This approach allows combining high energy and power density in a single cell. In a conventional battery, the ions move between the electrodes by straight lines, which makes this kind of cell to be one dimensional. This situation becomes more complicated in the battery with 3D-electrodes - the mere use of such electrodes requires a detailed 3D-geometrical models. In the present work 3D- lithium-ion battery is simulated by the finite element method. The simulations are performed with various cell geometries. In the theoretical part of the work, algebraic equations are developed to find the electrical field and overpotential in the steady state electrolyte, which significantly simplifies the optimization calculations. In the simulations of the liquid electrolyte of the 3D-battery, basic properties of ionic transport in 3D-battery geometries are studied. The simulations demonstrated dependence of the ionic transport in 3D-battery not only on the geometry of the electrodes but also on the electrode conductivity. Most uniform current density distribution is achieved, if the electrodes have equal conductivities. The simulations demonstrated the possibility to homogenize the current density distribution by decreasing the 3D-features of the electrodes as. Discharging simulations of the 3D-geometry demonstrated that the equal electrode conductivity is not sufficient to ensure the optimum use of the 3D-battery electrode material – due to the geometrical properties, even the electrodes with equal conductivities lead to the non-homogeneous material utilization in the electrodes. Since the positive and negative electrode conductivity is not equal in the battery materials, the electrode conductivities are enhanced by coating the 3D-current collectors with the electrode material. To further homogenize the current density distribution, polymer electrolytes are used. The simulations demonstrated that the most homogeneous current density distribution is achieved by the current collectors coated with the electrode materials and separated by the polymer electrolyte. By using the liquid electrolyte, higher battery currents are possible. The research summarized in this thesis makes it possible to understand the electrochemical processes takeing place in the 3D-microbattery. It allows to improve existing experimental 3D-battery preparation methods and to solve problems associated with 3D-batteries (e.g. internal short circuits). The calculated optimal battery electrode geometry provides important clues for experimental works or allows development of new experimental 3D-battery preparation methods.

Description

Väitekirja elektrooniline versioon ei sisalda publikatsioone.

Keywords

elektrokeemia, mikroakud, kompuutersimulatsioon, electrochemistry, microbatteries, computer simulation

Citation