ТЕХНІЧНА МЕХАНІКА
ISSN 1561-9184 (друкована версія), ISSN 2616-6380 (електронна версія)

ГОЛОВНА    ПРО ЖУРНАЛ    РЕДКОЛЕГІЯ    АВТОРАМ    ПОТОЧНИЙ ВИПУСК    АРХІВ    КОНТАКТИ

UDC: 621.355.9

Технічна механіка, 2023, 3, 51 - 57

ОСОБЛИВОСТІ ІОННОГО ОБМІНУ МІЖ ЕЛЕКТРОДАМИ В МЕТАЛІОННИХ АКУМУЛЯТОРАХ ПІД ЧАС РОЗРЯДУ

DOI: https://doi.org/10.15407/itm2023.03.051

Єлисєєв В. I., Совит Ю. П., Kaтренко M. О.

Єлисєєв В. I.
Інститут геотехнічної механіки ім. Н. Полякова НАН України,
Україна
Інститут транспортних систем і технологій НАН України Трансмаг,
Україна

Совит Ю. П.
Дніпровський національний університет імені Олеся Гончара,
Україна

Kaтренко M. О.
Дніпровський національний університет імені Олеся Гончара,
Україна

      Важливість і актуальність акумулювання електричної енергії підтверджується подіями в світі, тенденціями розвитку та використання різноманітних електричних енергетичних систем, побутових приладів, комп’ютерною технікою, приладами зв’язку тощо. Окрім зростання ринків споживання метал-іонних акумуляторів, простежуються тенденції на пошуки металів, які в подальшому будуть мати дешеву промислову базу видобутку, та необхідні характеристики щодо акумулюючих систем.
      В роботі розглядаються питання іонообміну між електродами метало-іонних акумуляторів, у яких носіями зарядів є іони металів, що дифундують у процесі розряду від негативного електрода до позитивного. Створена та опробована математична модель, яка базується на системі рівнянь дифузійного переносу, в якій рівняння для потенціалу у формі Нернста–Планка–Пуассона замінено рівнянням потенціалу з еквівалентною провідністю. Розглядаються квазі рівноважні режими.
      Вся робоча область складається з порового простору електродів і нейтрального сепаратора. Математична модель, яка використовується, складається з рівнянь розподілу потенціалів, рівняння розподілу концентрацій електроліту, доповнюється залежністю поверхневого електричного струму електрода від перенапруги та рівняннями, що визначають структуру пор електрода в залежності від перенесених мас всередині електрода.
      Рівняння електричних потенціалів та масообміну дифузного компонента записані в рамках сучасної теорії ефективної електропровідності в акумуляторах з урахуванням струмообміну між твердими електродами та рідким електролітом.
      Результати досліджень показали таке. Зміна опору сепаратора (зміна порозності) практично не призводить до зміни густин струмів в електродах, але призводить до деякої зміни самих потенціалів. Зміна опору електроліту впливає як на величини потенціалів в електродах, так і на розподіл внутрішніх струмів між електродами та електролітом.
     

метал-йонний акумулятор, сепаратор, анод, катод, система рівнянь, порозність, потенціал, дифузійний перенос

1. Verma J., Kumar D. Metal-ion batteries for electric vehicles: current state of the technology, issues and future perspective. Nanoscale Adv. 2021. V. 3, No. 12. P. 3384. https://doi.org/10.1039/D1NA00214G

2.Кошель М.Д. Теоретичнi основи електрохiмiчної енергетики: Днiпропетровськ: УДХТУ. 2002. 430с.

3. Бик М.В., Фроленкова С.В., Букет О.І., Васильев Г.С. Технічна електрохімія. Частина 2. Хімічні джерела струму (Електронний ресурс): підручник для студ. Київ. КПІ. 2018. 321с.

4. Ramos A. M. On the well-posedness of a mathematical model for lithium-ion batteries Applied Mathematical Modelling. 2016. V. 40. P. 115–125. https://doi.org/10.1016/j.apm.2015.05.006

5. Binelo M. F. B., Sausen A. T. Z. R., Sausen P. S., Binelo M. O. Mathematical modeling and parameter estimation of battery lifetime using a combined electrical model and a genetic algorithm. Tend. Mat. Apl. Comput. 2019. V. 20, No. 1. P. 150–167. https://doi.org/10.5540/tema.2019.020.01.149

6. Borakhadikar Ashwin S. One Dimensional Computer Modeling of a Lithium-Ion Battery A thesis submitted in partial fulfillment of the requirements for the degree of Master of Science in Mechanical Engineering. Shivaji University, Kolhapur, 2013. 71 p.

7. Esfahanian Vahid, Torabi Farschad, Mosahebi Ali . An improved mathematical model of lead-acid batteries for simulation of VRLA batteries. Journal of Power Sources Symposium. 2007. 9 p. URL: https://wp.kntu.ac.ir/ftorabi/Resources/Publications/An%20Improved%20Mathematical%20Model%20of%20Lead%E2%80%93Acid%20Batteries%20for%20Simulation%20of%20VRLA%20Batteries.pdf (Last accessed on April 28, 2023).

8. Esfahanian Vahid, Kheirhan Pooyan, Bahramian Hassan, Ansori Amir Babac, Ahmadi Goodarz. The effects of electrode parameters on lead-acid battery performance. Advanced Materials Research. 2013. V. 651. P. 492–498. https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/AMR.651.492

9. Gu Hiram, Nguyen T. V., White R. E. A mathematical model of a lead-acid cell: discharge, rest, and charge. J. Electrochem. Soc. Electrochemical Science and Technology. 1987. V. 134, No. 12. P. 2953–2960. https://doi.org/10.1149/1.2100322

10 Елисеев В.И., Совит Ю.П. Змiна потенцiалу рiдинного акумулятора при замiканнi зовнiшнего ланцюга. Вісник Дніпропетровського університету. Серія Механіка. 2021. Вип. 25. С. 54–65.

11. Yi Zeng. Mathematical Modeling of Lithium-Ion Intercalation Particles and Their Electrochemical Dynamics. Ph.D. Thesis.Massachusetts Institute of Technology, 2015. Р. 190. https://dspace.mit.edu/handle/1721.1/99062 (Last accessed on April 28, 2023)

12. Елисеев В.И., Совит Ю.П., Блюсс Б.А. Ионоперенос при конвективно – диффузионном разделении потоков. Системне проектування та аналіз характеристик аерокосмічної техніки. Збірник наукових праць. Дніпро. 2019. Т. XXVI. С. 21–38. https://doi.org/10.15421/471904

13 Shah A.A., Li X., Wills R.G.A., Walsh F.C. A mathematical model for the soluble lead-acid flow battery. J. of the Electrochemical Society. 2010. V. 157. No. 5. P. A589–A599. https://doi.org/10.1149/1.3328520

14. Benes M., Fucik R., Havlena V., Klement V., Kolar M., Polivka O., Solovsky J, Strachota P. An efficient and robust numerical solution of the full-order multiscale model of lithium-ion battery. Mathematical Problems in Engineering. 2018. Article ID 3530975. https://doi.org/10.1155/2018/3530975

15. Апостолова Р.Д., Задорей Н.Д., Коломоец О.В., Шембель Е.М. Сравнительная оценка эффективности электрохимического преобразования электрохимических сульфидов в литиевом макетном аккумуляторе в зависимости от природы жидкофазного электролита. Вопр. химии и хим. технологии. 2012. №2. С. 186–190. URL: https://udhtu.edu.ua/public/userfiles/file/VHHT/2012/2/%D0%90postolova.pdf (Last accessed on April 28, 2023).

Copyright (©) 2023 Єлисєєв В. I., Совит Ю. П., Kaтренко M. О.

Copyright © 2014-2023 Технічна механіка