Topologie-Optimierung für das Design von Vollzellen mit porösen Elektroden in elektrochemischen Energiespeichersystemen

In diesem Papier stellen wir ein dichtebasiertes Topologie-Optimierungsframework vor, um poröse Elektroden für maximale Energiespeicherung zu entwerfen. Wir simulieren die Vollzelle mit einem Modell, das das elektronische Potential, das ionische Potential und die Elektrolytkonzentration berücksichtigt. Das System besteht aus drei Materialien, nämlich reinem flüssigen Elektrolyt sowie den porösen Festkörpern der Anode und Kathode, für die wir die optimale Platzierung bestimmen. Wir verwenden separate elektronische Potentiale, um jede Elektrode zu modellieren, was interdigitale Designs ermöglicht. Als Ergebnis ist eine Bestrafung erforderlich, um sicherzustellen, dass Anode und Kathode sich nicht berühren, d.h. einen Kurzschluss verursachen. Wir vergleichen mehrere 2D-Designs, die unter verschiedenen festen Bedingungen, z.B. Materialeigenschaften, erzeugt wurden. Ein 3D-Design mit komplexer Kanal- und verzahnungsgleicher Struktur wird ebenfalls erstellt. Alle optimierten Designs sind in Bezug auf die Kennzahlen zur Energiespeicherung weit überlegen im Vergleich zum traditionellen monolithischen Elektrodesign. Wir beobachten eine Steigerung der Energiespeicherung um bis zu 750 % in Fällen mit langsamer effektiver ionischer Diffusion innerhalb der porösen Elektrode.