Modelo analítico avanzado descubre rendimiento óptimo de baterías

La optimización de baterías generalmente implica un compromiso entre energía (la cantidad que puede almacenar) y densidad de potencia (la tasa de liberación), todo lo cual depende de los materiales, sus configuraciones y estructuras internas como porosidad. Hay parámetros ajustables asociados con la estructura que necesitan optimizarse. Típicamente, se necesitan decenas de miles de cálculos para buscar el espacio de parámetros y encontrar la mejor combinación. Este es un proceso que consume mucho tiempo.

Los investigadores han desarrollado un método más rápido y simple que no requiere simulación numérica compleja para guiar la selección y diseño de componentes de batería y cómo interactúan. El modelo simplificado tiene una precisión dentro del 10% de algoritmos más intensivos computacionalmente y permitirá a los investigadores evaluar rápidamente la capacidad de tasa de baterías.

Casi todos los diseñadores y optimizadores de celdas de batería usan simulaciones pseudo-bidimensionales (P2D), que son costosas de ejecutar. Esto se vuelve especialmente problemático al optimizar celdas de batería porque tienen muchas variables y parámetros que necesitan ajustarse cuidadosamente para maximizar el rendimiento.

La nueva herramienta proporciona una forma más rápida y transparente de acelerar el proceso de diseño y ofrece insights simples y claros que no siempre son fáciles de obtener de simulaciones numéricas. El modelo podría implementarse fácilmente en software común como MATLAB y Excel, e incluso en calculadoras.

Para probar el modelo, los investigadores lo dejaron buscar la porosidad y espesor óptimos de un electrodo en baterías de celda completa y media comunes. En el proceso, descubrieron que electrodos con comportamiento de "reacción uniforme" como níquel-manganeso-cobalto y óxido de níquel-cobalto-aluminio son mejores para aplicaciones que requieren electrodos gruesos para aumentar la densidad de energía. También encontraron que las medias celdas de batería (con solo un electrodo) tienen capacidad de tasa inherentemente mejor, significando que su rendimiento no es un indicador fiable de cómo los electrodos funcionarán en las celdas completas usadas en baterías comerciales.