Modelado de parámetros y cinéticas de carga-descarga en celdas de ión litio

Abstract

En el presente trabajo se realizó el modelado electroquímico de celdas de ion litio con electrodos de LiFePO4 como material catódico, MCMB como material anódico, una solución 1M de LiPF6 en disolventes orgánicos como electrolito y empleando un separador de fibra de vidrio. Una vez confeccionado el modelo, se simularon diversas curvas de descarga para una celda tipo Swagelok que se contrastaron con curvas de bibliografía para su validación. El modelo empleado es el fomulado por Doyle-Fuller-Newman, conocido como DFN. Este modelo implementa ecuaciones de conservación de masa y carga, transporte iónico en electrolito y difusión de Li en los materiales activos y lo hace sobre un electrodo poroso, modelado como una serie de partículas esféricas. La herramienta empleada para implementar el modelo es PyBaMM: Python Battery Mathematical Modeling una librería de Python open-source que incluye diversos módulos con las ecuaciones a resolver y protocolos para discretizar y resolver la modelización. Para confeccionar el modelo, se lo debe alimentar con diversos parámetros obtenidos de la caracterización de celdas reales. En este trabajo, se realiza la caracterización física de los electrodos mediante calibre y micrómetro, la electroquímica mediante la técnica de espectroscopia de impedancia electroquímica y finalmente una caracterización por imágenes superficial mediante SEM y volumétrica mediante SEM-FIB. Se obtuvieron valores experimentales de los coeficientes de difusión de Li en ambos materiales activos, parámetros dimensionales y distribuciones de tamaños de partículas que fueron implementados en el modelo. Finalmente se lograron validar las hipótesis del modelo, y simular las curvas de descarga mencionadas obteniéndose resultados que aproximan con buen acuerdo a las curvas reportadas en bibliografía.

In the present work, the electrochemical modeling of lithium ion cells was carried out with LiFePO4 electrodes as cathode material, MCMB as anode material, a 1M LiPF6 solution in organic solvents and using a glass fiber separator. Once the model was made, various discharge curves for a Swagelok-type cell were simulated, which were contrasted with bibliographic curves for validation. The model used is the one formulated by Doyle-Fuller-Newman, known as DFN. This model implements equations of conservation of mass and charge, ionic transport in electrolyte, and diffusion of Li in active materials, and it does so on a porous electrode, modeled as a series of spherical particles. The tool used to implement the model is PyBaMM: Python Battery Mathematical Modeling, an open-source Python library that includes various modules with the equations to be solved and protocols to discretize and solve the modeling. To make the model, it must be fed with various parameters obtained from the characterization of real cells. In this work, the physical characterization of the electrodes is carried out by means of caliper and micrometer, electrochemical by means of the electrochemical impedance spectroscopy technique and finally a characterization obtaining superficial images by means of SEM and volumetric by means of SEM-FIB. Experimental values of the diffusion coefficients of Li in both active materials, dimensional parameters and particle size distributions that were implemented in the model were obtained. Finally, it was possible to validate the hypotheses of the model, and simulate the aforementioned discharge curves, obtaining results that approximate the curves reported in the bibliography with good agreement.