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BatteryDict: Modelagem e simulação de baterias de íons de lítio

BatteryDict é o módulo GeoDict para modelar células de bateria e simular o ciclo eletroquímico de baterias de íons de lítio. Os solucionadores para simulações totalmente resolvidas (microescala) e para simulações rápidas (mesoescala) podem ser usados ​​para as simulações eletroquímicas.

O solucionador LIR desenvolvido pela Math2Market e o solucionador BEST ( Ferramenta de Simulação de Bateria e Eletroquímica ) do Instituto Fraunhofer de Matemática Industrial (ITWM) estão integrados no GeoDict. 

A curva de carga em uma taxa de carga escolhida pelo usuário ou um potencial de carga escolhido pelo usuário é obtida e comparada com a curva de equilíbrio correspondente. As curvas são exibidas no resumo do resultado da simulação.

O BatteryDict também analisa a microestrutura dos materiais da bateria e mostra as regiões inativas no material e no eletrólito.

Os comandos contidos no BatteryDict são:

• Projetar bateria para modelar estruturas de bateria. 
• Analisar bateria para analisar as estruturas da bateria.
• Charge Battery para simular o carregamento e o descarregamento da bateria.
• Charge Half Cell para simular carga e descarga de meia célula.
• Degradação para cálculo de tensões e deformações mecânicas devido à intercalação de lítio após ciclagem eletroquímica.

Exemplos de aplicação do BatteryDict:

• Verifique se há material inativo na célula 
• Simule com diferentes condições de contorno - taxa de carga especificada ou potenciais especificados
• Determine a capacidade conectada da estrutura da bateria
• Estime o desempenho da bateria comparando o potencial da célula sobre o estado de carga com a tensão de circuito aberto 
• Rastreie diferentes contribuições para sobrepotenciais para melhorar a estrutura para um melhor desempenho no ciclismo
• Observe as mudanças na concentração de íons de lítio em cada partícula durante o carregamento
• Monitore o estresse mecânico e a tensão na intercalação de lítio, indicando a degradação mecânica da estrutura

Recursos e comandos do BatteryDict

Modelagem de estruturas de bateria

O comando Design Battery produz materiais de bateria digital com modelos de materiais gerados no GeoDict. A distância de separação e a orientação dos eletrodos são especificadas para obter a geometria da célula. Isso inclui a quantidade e localização de todos os componentes da célula e os componentes não conectados, que reduzem a densidade de energia da célula.

Os seguintes parâmetros e materiais podem ser definidos e modificados digitalmente:

• Material do ânodo 
• Material do cátodo
• Separador
• Reservatório de lítio como contra eletrodo
• Coletores de corrente no lado do ânodo e do cátodo

Análise estrutural de baterias

O comando Analyze Battery verifica o modelo de bateria digital para materiais conectados e não conectados e exibe as diferentes frações de volume no ânodo e no cátodo. Com Analyze Battery, a bateria é verificada para reduzir o material não conectado e para o balanceamento correto entre o cátodo e o ânodo.

Simulação em microescala de carregamento de bateria

O comando Charge Battery apresenta três solucionadores para simulações de carregamento de bateria totalmente resolvidas em microescala.

O solucionador LIR no BatteriDict enfatiza simulações de carregamento rápidas e com eficiência de memória, o que o torna indispensável para simulações em grandes estruturas.

Dois solucionadores ricos em recursos, conhecidos no campo de simulações de bateria e desenvolvidos no Fraunhofer ITWM, permitem o uso de parâmetros dependentes da concentração na simulação de carregamento de bateria em microescala totalmente resolvida:

• BESTmicro (novo desde GeoDict 2023) e
• BESTmicro (versão herdada do BESTmicro, padrão até GeoDict 2022). 

A unificação da GeoDict e do BEST foi um passo natural após longos anos de desenvolvimento paralelo. Como resultado, muitas das funcionalidades do BESTmicro, como parâmetros dependentes da concentração, podem ser usadas sem sair do ambiente conveniente do GeoDict.

Simulação em mesoescala de carregamento de bateria

O comando Carregar bateria inclui o solucionador BESTmeso para simulações de mesoescala . Usando este solucionador desenvolvido no Fraunhofer ITWM, o BatteryDict calcula parâmetros efetivos, como área de superfície ativa, frações de volume, etc., a partir da microestrutura carregada e inicia simulações no nível da escala da célula.

Essas simulações de mesoescala são executadas muito mais rapidamente e com menos uso de memória do que as simulações de microescala, mas não permitem rastrear variações locais na concentração de íons de lítio, condutividades etc. Assim, elas são adequadas para resultados rápidos de simulação em grandes estruturas.

Confira o post sobre o  BatteryDict no Blog da Tennessine!