User:Vahur

Vahur Zadin

Mobiil Rootsis: +46736599461
Mobiil Eestis: +372 55 544 178
E-mail: zadin@ut.ee
MSN: vahurz@hotmail.com
Skype: vahur_zadin

Liitium-ioon akude arhitektuuri optimeerimine arvutisimulatsioonide abil

Kaasaskantav mikroakutoide on oluliseks faktoriks paljudes arenevates tehnoloogiasuundades, kuna mikroelektroonika mõõtmete vähenemine on jätnud kaugele seljataha väikesemõõduliste vooluallikate arengu. Sobivate kaasaskantavate vooluallikate puudus on saamas takistuseks mitmete tehnoloogiasuundade nagu mikroelektromehaaniliste seadmete (MEMS) ja biomeditsiiniliste mikromasinate arengus. MEMS-idel baseeruva seadme näiteks võiks olla akutoitel autonoomne seade, mis koosneb ühest või mitmest sensorist, arvutus- ja kommunikatsiooniahelatest ning mille mõõtmed jäävad 1 mm piiresse. Sellise konfiguratsiooni juures tulevad ilmsiks olemasolevate, olemuselt kahemõõtmeliste (2D) liitium-ioonakude puudused – nii väikeste ruum- ja pindalade puhul ei ole võimalik saavutada piisavaid energiatihedusi. Seda probleemi võimaldab lahendada 3D mikroakude (MB) kasutusele võtmine [1]. Töö liitiumioonakude arhitektuuri optimeerimisega toimub koostöös Uppsala Ülikooli poolt koordineeritava projekti „Superior Energy and Power Density Li-Ion Microbatteries“, eesmärgiga valmistada töötav 3D-MB, mille energiatihedus ning mahtuvus on vähemalt suurusjärgu võrra suuremad praegu kasutusel olevate akude omadest. Toimiva 3D-MB välja töötamiseks arendatakse ja uuritakse erinevaid mikroaku arhitektuure, neist sobiva väljavalimist ning optimeerimist lihtsustavad oluliselt teoreetilised, arvutisimulatsioonidega läbi viidavad uuringud, mis võimaldavad:

testida erinevaid 3D-MB arhitektuure

lahendada optimeerimisülesandeid elektroodide optimaalse geomeetria leidmiseks, mis tähendab sisuliselt laengukandjate käitumise simuleerimist aku tühjenemisel ja laadimisel elektroodis

uurida elektroodide vahekauguse varieerimise mõju juhtivusele ja väljadele

optimeerida elektroodi pinda

uurida terve aku käitumist laadimisel-tühjakslaadimisel

optimeerida sobivaid mikroaku arhitektuure.

Meetodid makrotasandis, mida selliste uuringute läbiviimiseks kasutatakse on lõplike elementide meetod (LEM) ning juhul, kui tähelepanu keskendub mikrotasandile, siis molekulaardünaamilise simulatsiooni meetod (MD). Simulatsioonide läbiviimiseks kasutatakse LEM-i puhul tarkvarapakette COMSOL Multiphysics ja Elmer ning MD puhul tarkvarapaketti dl_poly. LEM-i põhiideeks on uuritava objekti mingit omadust väljendava pideva funktsiooni lähendamises diskreetse, tükiti pidevatest funktsioonidest, mis on määratud igaüks mingis alampiirkonnas ning millede arv on lõplik, koosneva mudeliga. Otsitavate funktsioonide väärtused on kõigis punktides, välja arvatud etteantud väärtustega rajapunktides tundmatud. Funktsiooni väärtuste leidmiseks üle uuritava piirkonna paigutatud üksikpunktides (edaspidi sõlmedes) ongi LEM-i rakendamine sõlmedes tarvis siduda mingi funktsionaali minimeerimisega, mis annab vajaliku võrrandisüsteemi tundmatute sõlmväärtuste leidmiseks. Võrrandisüsteemi koostamiseks jagatakse uuritav objekt lõplikuks arvuks alampiirkondadeks, mis ei tohi teineteisega kattuda ning millede kogusumma peab andma kokku uuritava objekti. Elementideks jagatud uuritavat objekti nimetatakse tihti võrguks. Uuritava objekti mõõtmed võivad ulatuda mikromeetrist kuni meetriteni, ajaskaalad mikrosekunditest tundide, vahel isegi päevadeni. Molekulaardünaamilise simulatsiooni meetodi puhul modelleeritakse aatomite ruumilist liikumist Newtoni seaduste järgi – igal simulatsioonisammul arvutatakse süsteemi kõikidele aatomitele selle süsteemi teiste aatomite poolt mõjuvad jõud. Saadud jõudude põhjal leitakse aatomitele mõjuvad kiirendused. Meetod on rakendatav süsteemidele, mis koosnevad tuhandest kunia paarikümnest tuhandest aatomist, süsteemi mõõtmed on kümnete nanomeetrite suurusjärgus ning ajaskaala ulatub kuni sadade nanosekunditeni.

Põhieesmärgid ja uurimishüpoteesid

Doktoritöö eesmärgid on:

1. Leida arvutisimulatsioonide abil sobivaim arhitektuur 3D mikroakude jaoks.

2. Arendada olemasoleva tarkvara baasil mikroaku modelleerimiseks võimalikult optimaalsed ja täpsed simulatsioonimeetodid.

Põhilised tegevused eesmärkide saavutamiseks on:

1. Tarkvara ettevalmistamine efektiivseks simulatsioonide läbi viimiseks LEM-iga:

probleemi matemaatiline formuleerimine

tarkvara seadistamine

võrgu genereerimine

2. LEM-il läbi viidavad simulatsioonid mikroakude uurimiseks:

algmudeli paikapanek ning häälestamine, tagamaks edasistes arvutustes õigete lahendite saamist

erinevate mikroaku arhitektuuride modelleerimine ning optimaalse arhitektuuri otsimine

mikroaku arhitektuuri optimeerimine

3. Molekulaardünaamika (MD) simulatsioonid LEM-il läbi viidavate arvutuste jaoks ainet iseloomustavate parameetrite leidmiseks (n. difusioonitegur, juhtivus).