ENGINEERINGNET.BE - Ondanks hun vele gunstige eigenschappen, zijn LFP-batterijen lang minder populair geweest dan hun op kobalt gebaseerde tegenhangers, omdat ze een lagere energiedichtheid hebben.
Dit tij is de laatste jaren gekeerd doordat ontwikkelaars inspelen op het vermogen van LFP-batterijen om veilig te functioneren bij hogere temperaturen, zonder risico op brandgevaar.
Het voorspellen van batterijgedrag op basis van de laad- en gebruiksgeschiedenis berustte echter nog steeds op methodes die uit de jaren ’90 stammen.
Het voorspellen van batterijgedrag is belangrijk omdat je bijvoorbeeld wilt weten of een elektrische auto het gewenste vermogen kan leveren. Daarnaast was er merkwaardig batterijgedrag dat wel gemodelleerd kon worden, maar niet werd begrepen.
‘Kort na piekbelasting presteert een LFP-batterij beter, met makkelijkere stroomafgifte en minder spanningsverlies,’ zegt Pierfrancesco Ombrini. ‘Mijn promotor van TU Delft wilde dat ik uitzocht waarom het uitmaakt op welke manier een batterij een bepaald laadniveau heeft bereikt.’
De elektroden in LFP-batterijen bevatten deeltjes op micrometerschaal. Een collega van Ombrini bezocht een onderzoeksfaciliteit om te achterhalen hoe dit het laadgedrag beïnvloedt.
Daar keek ze hoe elektrische lading zich onder diverse laad- en ontlaadomstandigheden over de korrels verdeelde, waarbij ze tegelijk het gedrag binnenin en de spanning en stroom aan de buitenzijde mat.
‘Samen met de exacte korrelgroottes kon ik hiermee een model maken dat verklaarde waarom de batterijprestaties van de gebruiksgeschiedenis afhangen,’ zegt Ombrini.
De overstap naar het netwerk-model heeft tot enorm verbeterde rekenprestaties geleid: het kost nu slechts dertig seconden, waar eerdere 3D-simulaties van andere onderzoekers uren duurden.
Dit kan tijdrovende metingen voor het bepalen van de korrelgroottes overbodig maken. ‘Het lijkt erop dat we uit slechts enkele laadcycli de juiste nanodeeltjesverdeling kunnen afleiden.’
Zijn model kan ook toegepast worden op andere batterijtypes, huidige en toekomstige. De enige voorwaarde is dat er kleine korrels inzitten van een materiaal dat slecht elektra geleidt. ‘In LFP-batterijen zijn dit de lithium-ijzerfosfaatkorrels op de kathode,’ zegt Ombrini.
‘We zien nu een verschuiving waarbij de grafiet-anode wordt vervangen door silicium, een halfgeleidermateriaal. Dit kan de batterijcapaciteit flink verhogen. Ook is er een trend om lithium te vervangen door het veel overvloedigere en goedkopere natrium. In beide gevallen kan van slecht geleidende materialen gebruikt gemaakt worden, waardoor ons model relevant en toepasbaar is.’
Ombrini stelt zijn model open source beschikbaar, zodat onderzoekers en ontwikkelaars wereldwijd er hun voordeel mee kunnen doen. Hij past zijn kennis nu toe bij een bedrijf dat werkt aan de elektrificatie van mijnbouwmaterieel.
‘Denk aan enorme vrachtwagens met wielen van wel twee meter in diameter,’ zegt hij. ‘Ik hoop de batterijprestaties te optimaliseren, zodat elektrificatie echt de moeite waard is. Als we erin slagen enorme mijnbouwtrucks elektrisch te maken, wat belet ons dan nog om dat ook te doen met vorkheftrucks en ander industrieel materieel?’
