Physical Based Modeling of the Electrochemical Impedance of Lithium-Ion Batteries

Abstract

Teknolojik gelişmelerin ve dünya nüfusunun artmasıyla birlikte enerji talebi de büyük ölçüde artmıştır. Bu talep uzun yıllardır fosil yakıtlar tarafından sağlansa da, karbon ayak izinin azaltılması ve küresel ısınmanın etkilerinin üstesinden gelmek için yüksek verimli yenilenebilir enerji kaynaklarıyla ilgili yeni araştırmalar ve iyileştirmeler yapıldı. Yakıt pilleri ve bataryalar gibi elektrokimyasal enerji depolama sistemleri, geleneksel enerji sistemlerinden daha umut verici bir çözüm olarak kabul edilmektedir. Malzemeler ve bileşenler üzerinde teknolojik gelişmeler yapmak için bir elektrokimyasal sistemin dinamik davranışını ve yüklü parçacık aktarım kinetiğini analiz etmek, aynı zamanda sistem cevabını karakterize etmek kritik bir konudur. Bu nedenle, yıllarca farklı yöntemlerle sistem karakterizasyonu üzerine birçok çalışma yapılmıştır. Bir elektrokimyasal sistemin davranışını doğru bir şekilde karakterize etmek için farklı araştırma grupları tarafından zaman ve frekans alan temelli çalışmalar yürütülmüştür. Bu nedenle, bir sistemin yanıtını detaylı bir şekilde karakterize etmek için en çok üzerinde durulan uygulamalardan biri olarak elektrokimyasal empedans spektroskopisi kullanılmıştır. Bu çalışmada, bataryaların eşdeğer devre modeli gibi diğer modelleme yöntemlerinin haricinde, gözenekli elektrot teorisi temelli yeni bir yöntem tanıtılmıştır. Deşarj mekanizmasının fiziko-kimyasal özellikleri ve empedans davranışının kapsamlı bir şekilde araştırılması için bir lityum-iyon batarya modellenmiştir, ayrıca şarj transfer kinetiklerine sıcaklık ve akım debisinin etkileri incelenmiştir. Bunların yanında parametrelerin hassasiyet analizi ve sistem cevabının optimizasyonu ile model becerileri arttırılmıştır. Bu çalışmanın bir sonucu olarak yeni bir model metodolojisi ve üç-alanlı elektrot model yaklaşımı geliştirilmiştir.In parallel with the technological developments and increased world population demand on energy had significantly increased. Although, this demand was supplied by fossil fuels for many years, new researches and improvements about high efficiency renewable energy sources had been studied due to decrease the carbon footprint and as well as to overcome to effects of global warming. Electrochemical energy storage systems such as fuel cells and batteries have considered as the promising solution than the conventional energy systems. It is critical issue to analyze the dynamic behavior, charge transfer kinetics and characterize the system response of an electrochemical system for making technological developments on the materials and components. For this reason, many studies on system characterization with different methods held in many years. In order to characterize the behavior of an electrochemical system accurately, time-domain and frequency-domain analyzes have been studied by different research groups. Hence, electrochemical impedance spectroscopy has been used as one of the most considered application for characterizing the response of a system. Comparing to other modeling methods like equivalent circuit modeling, a novel method had been represented based on porous electrode theory on a lithium-ion battery system in this study. In order to obtain comprehensive investigation of the physico-chemical properties of discharge mechanism and impedance behavior a lithium-ion battery has modeled, also the temperature and current flow rate dependency on charge transfer kinetics has been demonstrated. Furthermore, the sensitivity analysis of the parameters and the optimization of the system response had been practiced in order to increase the model accuracy. As a result of this study, a new system model methodology and three-domain electrode modeling approach had been developed.