Dagens batteriutvecklare ska öka batteriets livslängd, energi- och effektdensitet, men samtidigt minska laddningstiden. Dessutom ska detta göras till en lägre kostnad. Är det möjligt att få ekvationen att gå ihop?

Den svenskutvecklade mjukvaran COMSOL Multiphysics hjälper världsledande forskare, fordonstillverkare och elektronikproducenter att förstå batteriets funktion och hur dess prestanda kan optimeras.

- Utvecklingen av elfordon driver just nu på utvecklingen av förbättrade batterier. För att öka prestandan krävs det forskning och utveckling, där modellering och simulering pekar ut välbehövliga genvägar, säger Ed Fontes som är CTO på COMSOL och som dessutom har en doktorsexamen i tillämpad elektrokemi från KTH.

Dagens batterier börjar närma sig sitt teoretiska maximum i energidensitet. Energidensiteten begränsas av batterikemin, som även helt utan förluster har en teoretisk begränsning. Kemin definieras i sin tur av elektrodmaterial och elektrolytsammansättning. Litium-luftbatterier har en energidensitet som närmar sig bensin och det är förmodligen nära det maximala för ett batteri.

- Men även kylkomponenter och strömkollektorer bidrar till totala vikten hos ett batterisystem, så deras design påverkar batterisystemets energidensitet väsentligt och där finns det fortfarande mycket att göra, fortsätter Ed Fontes.

Det krävs även en hög effektdensitet för att omsätta stora mängder energi under kort tid vid bromskraftåtervinning eller snabbladdning. Här finns det mycket att vinna på att göra tunna batterikomponenter som samtidigt inte är känsliga för kortslutning. Mycket av forskningen på att få fram nya material bygger på att de ska gå att tillverka tunna elektroder, elektrolyt och separatorer.

- Det är ett utmanade optimeringsproblem att designa ett system som kan hantera både mycket höga strömmar under laddning och relativt låga under urladdning.

Livstid, säkerhet och tillförlitlighet är starkt sammankopplade hos ett batteri. Inte bara batterikemin påverkar detta utan även designen eftersom ojämn strömfördelning, dålig kontroll av laddning/urladdning och kylning påskyndar slitage och ökar risken för fel. Expansion och kontraktion av material under många driftcykler kan orsaka mikrosprickor som försämrar prestanda hos batteriet. Kortslutning på grund av metallutfällning kan orsaka prestandaförsämring och även överhettning med brandrisk.

För att förstå de fenomenen som sker i ett batteri krävs det beskrivningar av elektriska fält, transport av kemiska föreningar, kinetik för de elektrokemiska reaktionerna, värmetransport, fluidmekanik och strukturmekanik. Allt detta är starkt sammanflätat i en noggrann beskrivning av ett batteri och det är här som så kallad multifysikmodellering ger extrema genvägar.

-Det är här som våra produkter och speciellt Batteries & Fuel Cells Module är unika, kan bidra och göra skillnad för utveckling av nya batterier och batterisystem, avslutar Ed Fontes.

Bildtext: Ed Fontes är CTO för COMSOL vars mjukvara används för att simulera framtidens batterier.