The dynamic behavior of the NiMH battery – Creating a versatile NiMH battery model
Tid: On 2023-11-22 kl 14.00
Plats: Kollegiesalen, Brinellvägen 8, Stockholm
Videolänk: https://kth-se.zoom.us/meeting/register/u5AqcuGgpzwpHNGjZ3gdaRMKu3gq6T0J0aQc
Språk: Engelska
Ämnesområde: Kemiteknik
Respondent: Jenny Börjesson Axén , Tillämpad elektrokemi, Royal Institute of Technology, Nilar AB
Opponent: Assistant Professor Paul Albertus, University of Maryland, USA
Handledare: Professor Göran Lindbergh, Tillämpad elektrokemi; Doktor Henrik Ekström, Tillämpad elektrokemi; Doktor Erika Widenkvist Zetterström, Graphmatech AB
QC 20231027
Abstract
För att underlätta skiftet från fossilbaserade till förnyelsebara energikällor behövs energilagring för att hantera den intermittenta produktionen hos tekniker som sol- vind och vågkraft. Ett alternativ är stationär energilagring med hjälp av batterier. Det finns många batterityper att välja på, men Nickel Metallhydrid batterier (NiMH) är särskilt lämpade. De har bra energidensitet, stort temperaturfönster och är ett säkert alternativ för storskalig energilagring.
I den här avhandlingen studeras NiMH batteriets beteende med målet att ta fram en dynamisk batterimodell, en modell som är kapabel att reproducera batteriets spänning och tryckbeteende även för dynamiska körcykler. En sådan modell kan avvändas till att underlätta utveckling av NiMH batterier, förbättra algoritmerna i batteriernas styrsystem, kvalitetskontroll och dimensionering av system. I förlängningen innebär det stationära energilager med högre verkningsgrad och längre livslängd.
För att öka förståelsen för hur batteriet fungerar så har fördjupning gjorts i två beteenden som är typiska för NiMH batteriet och ansågs ha särskilt stor inverkan: Öppetkretsspänningshysteresen och beteendet hos batteriets gasfas. Öppetkretsspänningshysteresen försvårar modellering genom att batteriets vilospänning vid en viss laddningsgrad beror på hur det laddats och laddats ur för att komma dit. Öppetkretsspänningshysteres är inte någonting som är märkbart hos alla batterityper, men den är särskilt kraftig hos NiMH. Gasfasen hos batteriet är aktiv eftersom elektrolyten är vattenbaserad och dess spänningsfönster vid drift orsakar syrgasutveckling på den positiva elektroden. Syrgasen återbildas sedan till vatten på den negativa elektroden. Mängden vätgas i gasfasen förändras pågrund av hur jämviktstrycket av vätgas över den negativa vätelagringselektroden beror av laddningsgrad och temperatur.
I arbetet så utvecklades två modeller separat för att beskriva dessa två beteenden. Modellerna visade upp en god kvalitativ överenstämmelse. Hystersfenomenet studerades med hjälp av strukturkemiska metoder, och skillnader identifierades i materialstrukturen mellan positivt elektrodmaterial vid samma laddningsrad men olika hysterestillstånd. Dessa skillnader återfanns både i bulken och ytregionen i de aktiva partiklarna. Skillnaderna i bulken härrörde från graden av oordning, och skillnaderna i ytregionen i ojämnhet i Li distributionen i koboltoxyhydroxidlagret. Gassammansättningen studerades med hjälp av masspektrometri. Gasfasen utgjordes till största delen av kväve, men vätgas var ansvarig för majoriteten av tryckförändringen hos batteriet under en laddcykel. Syrgas kunde mätas vid slutet av laddning, där det produceras till följd av höga spänningar på den positiva elektroden.
Slutligen så adderades de två utvecklade modellerna till en så kallad P2D modell. Denna modelltyp är vanlig för att simulera batterier och bygger på elektrokemisk teori med uttryck för att approximera beteendet hos de porösa elektroderna. Modellen är byggd i en rumsdimension, med en ytterligare dimmension för att simulera diffusionen i de aktiva partiklarna som räknas ut lokalt. Den sammanslagna modellen visade att de beteenden som ses hos ett NiMH batteri vid blandad drift kunde återskapas kvalitativt genom att ta öppetkretsspänningshysteresen och gasfasbeteendena i beaktan.