Modelización de la difusión del litio en una batería li-ion.

Abstract

Las baterías eléctricas son dispositivos capaces de convertir la energía química almacenada en su interior en corriente eléctrica. Del conjunto de modelos de baterías, las de Li-ion están siendo un objeto clave en el desarrollo de vehículos eléctricos (así como vehículos eléctricos híbridos) más eficientes, que a su vez contribuye a una sociedad más sostenible. Durante el funcionamiento de una batería Li-ion existe una reacción química en el interior de los electrodos que origina iones de litio y electrones por igual. Las características fisicoquímicas de una batería afectan significativamente a su rendimiento. Sin embargo, estas propiedades son difíciles de medir experimentalmente. En el presente estudio se pretende describir el comportamiento de estos iones de litio cuyas ecuaciones determinantes se basan en la conservación de masa, de cargas eléctricas, de cinética electroquímica y de energía. A través de estas ecuaciones de conservación, siendo ecuaciones en derivadas parciales, Se obtiene un modelo pseudo- bidimensional (P2D) electroquímico que se resuelve mediante el método numérico de diferencias finitas que se ha implementado en un código informático de simulación desarrollado en Matlab. Para la resolución numérica del modelo matemático se utiliza el método de las diferencias finitas. El modelaje permite observar el comportamiento de las variables más relevantes durante un proceso de descarga. Las variables más relevantes son la tensión proporcionada por la celda, el estado de carga (SOC), la concentración de litio (tanto en el electrolito como en las partículas sólidas), el potencial de fase sólida y electrolítica y la temperatura a lo largo de la celda. Este trabajo ofrece la oportunidad de aplicar el modelo a otras tecnologías como vehículos eléctricos o híbridos. Abstract Electric batteries are devices capable of converting the chemical energy kept inside them into electrical current. There are several types of batteries, but the Li-ion batteries are being a key object in the development of more efficient electric vehicles (as well as hybrid vehicles), which contributes to making a more sustainable society. During the operation of a Li-ion battery there is a chemical reaction inside the electrodes that makes the same amount of ions as electrons. The internally distributed physicochemical characteristics of a battery affect its performance. However, these properties are difficult to measure experimentally. The present study aims to describe the behavior of these ions whose equations are based on the conservation of mass, electric charges, electrochemical kinetics and energy. Through these conservation equations, some of them being partial derivative equations, an electrochemical pseudo-two-dimensional (P2D) model is obtained in the Matlab program that describes the behavior of a lithium ion battery. For mathematical resolution, the finite element method is used. Modeling allows observing the behavior of the most relevant variables during a download process. The most relevant variables are the voltage provided by the cell, the state of charge (SOC), the lithium concentration (both in the electrolyte and in the solid particles), the potential of the solid and electrolytic phase and the temperature throughout the cell. This work offers the opportunity to apply the model to other technologies such as electric or hybrid vehicles.