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

Resumen

En el presente trabajo se realizó el modelado electroquímico de celdas de ion-Litio con electrodos de LiFePO4 (LFP) como material catódico, MesoCarbon MicroBeads (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 formulado por Doyle-Fuller-Newman, conocido como DFN. Este modelo implementa un conjunto de ecuaciones diferenciales acopladas 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 el código 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.