Development and optimization of 3D-microbatteries

Abstract

Elektroonika ja tehnoloogia areneb ja täieneb väga kiires tempos. Samuti vajavad üha väiksemad ja võimsamad seadmed ka vastavaid energiaallikaid. Selles suunas nähakse aga palju vaeva, et välja töötada väiksemate mõõtmetega ja suurema energia sisaldusega akusid. Üheks uurimissuunaks on mikroakud, mis võiksid sobida väga väikeste elektroonika seadmete energiaallikaks. Siinkohal on välja pakutud kolmemõõtmelist mikroaku kontseptsiooni, et saavutada kõrgem energia- ja võimsustihedus, kui seda tavapärased planaarstuktuuriga akude tehnoloogia suudab pakkuda. Antud töös on arvutuslikult välja töötatud, disainitud ja optimeeritud nelja erineva 3D-liitium-ioon mikroaku kontseptsiooni kasutades lõplike elementide meetodit. Uurimistööde eesmärgiks on fundamentaalselt aru saada massitranspordi mehhanismist, mis esineb nendes keerulistes aku arhitektuurides, ning leida optimaalsed elektroodi geomeetrilised konfiguratsioonid ja mõõtmed, kasutades parameetrilisi simulatsioone, saavutamaks suuremat aku mahutavust, ühtlasemat ja sujuvamat elektroodide täitumist ja tühjenemist ning homogeenset elektrokeemilist aktiivsust elektroodide pindadel. Elektrokeemilis-soojus simulatsioonid antud erinevate mikroakude arhitektuuride kohta tõstavad esile just keemiliselt aktiivsed piirkonnad ja osutavad võimalikele soojusallikatele ja masstranspordi kitsaskohtadele. Leiti, et concentric arhitektuuri korral saavutati akus suurim energiatihedus 93 mAh/g, samas kui interdigitated ja trench arhitektuuriga akud näitasid energiatihedust vastaval 86 ja 80 mAh/g. Samuti täheldati trench süsteemis ka mõnevõrra kõrgemat töötemperatuuri kui teistes arhitektuurides. Concentric arhitektuuri sammastega positiivse elektroodi põhjalikum uurimine näitas, et LiCoO2 materjali kasutamine elektrokeemilistes rektsioonides oli efektiivsem, lühemate sammaste korral. Kõrgemad sambad omakorda aga näitasid mõnevõrra suuremat üldist energiamahtuvust, kuid samas esines kasutamata elektroodimaterjali piirkondi. Seetõttu võiks lugeda concentric arhitektuuri korral optimaalseks elektroodi sammaste kõrguseks umbes 70 μm ja sammaste vahekauguseks 12 μm. Lisaks koostati süsinik vaht-tüüpi komposiit-elektroodist aku mudel mida kalibreeriti edukalt eksperimentaalsete tulemuste põhjal. Parameetrilised simulatsioonid näitasid, et väiksemad makropoorid ja paksemad elektroodi materjali kattekihid pakuvad suuremat energia mahtuvust elektroodi pindala kohta. Sealhulgas ühtegi muud piiravat tegurit selles süsteemis ei täheldatud. Elektrokeemilised reaktsioonid eelistavad osakesi süsinik vahu struktuuri läheduses ja liitium ioonide väljumine elektroodist on väga homogeenne protsess. Kokkuvõttes võib öelda, et liitium-ioonakude elektrokeemilised simulatsioonid on väga tõhus vahend liitium-ioon aku arhitektuuride väljatöötamiseks ja arendamiseks. See võimaldab kergesti muuta elektroodi ja elektrolüüdi materjalide fundamentaalseid parameetreid ja geomeetrilisi mõõtmeid, et leida optimaalne elektroodide konfiguratsioon saavutamaks suurim energiatihedus akus. Siiski tuleb märkida, et selliseid teoreetiliselt toimivate keerukate 3D-elektroodidega akusid on suhteliselt raske eksperimentaalselt valmistada, mistõttu tuleks edasi arendada materjalide sünteesimise meetodeid ning akude koostamistehnikaid. Märksõnad: liitium-ioon mikroaku, 3-mõõtmeline, elektrokeemiline-termiline modelleerimine, lõplike elementide meetod, parameetrilised simulatsioonid, simulatsiooni kalibreerimine, optimeerimine, vaht-tüüpi elektrood, LiCoO2, LiFePO4, grafiit, polümeerelektrolüüt, vedelikelektrolüüt.

Electronics and portable devices are under continual developing and upgrading. Therefore, smaller and more powerful technology requires compatible energy source and storing systems. In that sense much effort is devoted to the development of batteries with smaller dimensions and higher energy capabilities where one are of research is focused on designing micro scale batteries to supply very small appliances with energy. Here 3-dimensional microbattery concept is proposed to achieve appropriate higher energy and power density than conventional planar battery cell technology should provide. In this theses, four different 3D Li-ion microbattery concepts are computationally developed, modelled and optimized using finite element method. The studies aimed at enriching the fundamental understanding of the mass transport occurring in these complex architectures and to find optimal electrode geometrical configurations to achieve higher cell capacity, smoother lithiation/delithiation and homogeneous electrochemical activity over the electrode surfaces via parametric simulations. The electrochemical-thermal coupled simulations highlights the chemically active regions in these different microbattery architectures and points out possible heat sources and mass transport bottlenecks. It was found that concentric architecture has the highest capacity 93 mAh/g while interdigitated and trench architecture exposed 86 and 80 mAh/g respectively. Also somewhat higher temperature development was observed in the trench system. In further investigation of pillared electrode architecture showed that deeper delithiation and higher active material utilization was achieved in the LiCoO2 positive electrode when shorter pillars are used. Higher pillars on the other hand presented somewhat higher overall energy capacity with the cost of underutilized material regions. Therefore, optimal pillar height should be around 70 μm with the interpillar distance of 12 μm for the concentric architecture. Additionally, carbon foam type composite electrode was successfully calibrated against the experimental results. Parametric simulations reveled that smaller macropores and thicker coatings provides higher capacity per electrode footprint area and no other limiting factors was observed. The electrochemical reactions prefers particles near to the carbon foam structure and delithiation is very homogeneous. In conclusion, electrochemical simulations of Li-ion batteries can be very useful tool for developing and designing the Li-ion battery architecture. It allows easily change material parameters and geometrical dimensions of the electrode and electrolyte to found optimal cell configuration and best cell performance. Although, it should be mentioned that it is relatively difficult to experimentally produce these theoretically well performing 3D-electrodes and complex cell architectures and therefore synthesis and assembling methods and fabrication techniques should be further developed. Keywords: Li-ion microbattery, 3-dimensional, electrochemical-thermal modeling, finite element method, parametric variation, simulation calibration, optimization, foam-type electrode, LiCoO2, LiFePO4, graphite, polymer electrolyte, liquid electrolyte.