AI & computing › Digital twins (mens & stad)
Digitale kopie van batterij onthult waarom snelladen accu's sneller sloopt
Zuid-Koreaanse onderzoekers hebben een 3D-kopie van een batterijelektrode gebouwd om te ontdekken waarom snelladen elektrische auto's harder aantast dan langzaam laden. Niet de hoeveelheid materiaal in de batterij blijkt doorslaggevend, maar de precieze plek waar het zit. De ontdekking kan fabrikanten helpen batterijen te ontwerpen die sneller opladen zonder eerder te verslijten.
Elektrische auto's snel opladen is handig, maar slecht voor de accu. Dat weten ingenieurs al langer, alleen was tot nu toe onduidelijk wat er precies misgaat in de batterij tijdens het snelladen. Een team van het Korea Advanced Institute of Science and Technology (KAIST), onder leiding van de hoogleraren Kang Taek Lee en EunAe Cho, bouwde daarom een gedetailleerde digital twin van een batterij-elektrode. Deze virtuele kopie maakt processen zichtbaar die met gewone metingen niet te zien zijn.
Niet de hoeveelheid, maar de plek telt
Batterij-elektrodes bestaan uit grafietdeeltjes, een lijmachtig bindmiddel dat alles bij elkaar houdt, en poriën waar de vloeibare elektrolyt doorheen stroomt. Ingenieurs keken tot nu toe vooral naar de totale hoeveelheid bindmiddel en poriënruimte in een elektrode. Het KAIST-onderzoek laat zien dat de exacte verdeling van die materialen minstens zo belangrijk is. Zit het bindmiddel geconcentreerd op één plek, dan ontstaan er nauwe doorgangen waar lithium-ionen moeilijker doorheen komen. Is het bindmiddel gelijkmatig verspreid, dan houden de ionen een vrije doorgang.
Wat er misgaat tijdens snelladen
Tijdens het opladen bewegen lithium-ionen door de poriën naar de grafietdeeltjes, waar ze zich intercaleren tussen de atoomlagen. Bij snelladen lukt dat niet altijd op tijd: een deel van de ionen blijft aan het oppervlak van het grafiet steken en vormt daar een metaalachtige laag, lithium plating genoemd. Dat proces vreet aan de levensduur van de batterij. Ook de beschermende SEI-laag, een dun laagje dat normaal het grafiet afschermt, kan tijdens snelladen te dik of ongelijkmatig worden. Daarnaast zwellen grafietdeeltjes op als er lithium in stroomt, wat mechanische spanning veroorzaakt in de elektrode. Met hun digitale kopie van een bestaande grafietanode simuleerden de onderzoekers deze processen apart van elkaar, iets wat in een echte batterij vrijwel onmogelijk te meten is.
Groter verschil bij dikkere batterijen
De simulaties laten zien dat elektrodes met bijna dezelfde totale laadcapaciteit toch heel verschillend verslijten, afhankelijk van hoe het bindmiddel is verdeeld. Bij een standaard dunne elektrode van 50 micrometer zorgde een ongelijke verdeling van bindmiddel voor minder dan 4 procent verschil in totale capaciteit, maar wel voor meer dan 10 procent extra lithium plating bij de stroomafnemer. Bij dikkere, hoogcapaciteitselektrodes van 83 micrometer liep het verschil veel verder op: een slimme plaatsing van het bindmiddel leverde 18 procent meer laadcapaciteit op dan een ongelijke verdeling. Goed verdeelde poriën bieden bovendien ruimte voor grafietdeeltjes om uit te zetten, waardoor lokale spanningspieken afnemen.
Volgens Lee is de studie vooral belangrijk omdat interne schade zichtbaar wordt die je aan de totale laadprestaties alleen niet kunt aflezen. Fabrikanten kunnen straks het ontwerp van een elektrode virtueel testen voordat ze een prototype bouwen, in plaats van te vertrouwen op trial-and-error in het laboratorium.
Achtergrond & begrippen
Wat betekent dit voor de toekomst? Deze techniek kan batterijfabrikanten helpen om elektrische auto's te ontwerpen die sneller opladen zonder dat de accu eerder verslijt. Doordat ontwerpers eerst virtueel kunnen testen hoe bindmiddel en poriën het beste verdeeld worden, is er minder duur en tijdrovend experimenteren met fysieke prototypes nodig. Op termijn kan dit bijdragen aan elektrische auto's met een langere levensduur en kortere laadtijden.
- Digital twin
- Een gedetailleerde digitale kopie van een fysiek object of proces, waarmee je kunt simuleren wat er intern gebeurt zonder het echte object te hoeven meten of beschadigen.
- Intercalatie
- Het proces waarbij lithium-ionen zich tussen de atoomlagen van het grafiet in een batterij-elektrode nestelen tijdens het opladen.
- Lithium plating
- Een ongewenste metaalachtige afzetting van lithium op het oppervlak van de anode die ontstaat wanneer ionen tijdens snelladen niet snel genoeg in het grafiet kunnen dringen. Het vermindert de capaciteit en levensduur van de batterij.
- SEI-laag
- Een dun beschermend laagje (solid electrolyte interphase) dat zich vormt op het grafietoppervlak en de elektrode beschermt tegen verdere afbraak; wordt het laagje te dik of ongelijkmatig, dan gaat dat ten koste van de batterijprestaties.
- Grafietanode
- De negatieve elektrode van een lithium-ionbatterij, meestal gemaakt van grafiet, waarin lithium-ionen tijdens het opladen worden opgeslagen.
- Bindmiddel
- Een lijmachtige stof in de elektrode die de grafietdeeltjes bij elkaar houdt en aan de stroomafnemer bevestigt.
Bronnen
Dit artikel is met behulp van AI geschreven op basis van bovenstaande bronnen en is geen letterlijke vertaling. Zo werkt onze redactie.
