Riassunto analitico
L'attività presentata in questo lavoro è focalizzata sul processo di elettrodeposizione galvanica.
Questo processo è stato scelto perché strettamente collegato al processo di carica e scarica che comunemente avviene nelle batterie delle auto elettriche, ibride e a fuel cell.
Il processo è stato studiato attraverso simulazioni multi-fisica basate sui modelli matematici che ne descrivono i fenomeni caratteristici.
Il rame è stato scelto per la sua chimica semplice; tuttavia, può portare a risultati importanti che possono portare a miglioramenti negli elettrodi delle batterie.
L'obiettivo è stimare lo spessore dello strato di materiale deposto e la sua distribuzione in funzione della concentrazione del rame, della lunghezza dei pori, della porosità, della sovratensione, della temperatura, della velocità del fluido e della densità di corrente di scambio in modo da valutare il comportamento del sistema in ambienti differenti.
Le simulazioni sono state eseguite inoltre con l'obiettivo di confrontarne i tempi di calcolo al fine valutarne la fattibilità.
Sono stati generati modelli 2D semplificati a partire dalle superfici porose tipiche di un elettrodo.
Un aumento di temperatura e di concentrazione ha portato a un aumento dello spessore di materiale depositato; una maggior sovratensione porta anch'essa a un aumento dello spessore del materiale depositato, ma con un profilo irregolare se la sovratensione sale oltre un valore di soglia dipendente dalle caratteristiche geometriche dei pori, mentre una maggior densità di corrente di scambio porta a un profilo di deposizione differente con un maggior spessore all'ingresso dei pori ma un minor spessore più in profondità.
Il rapporto L/ϕ dei pori influenza il processo di deposizione: con pori più profondi si ha una minor quantità di materiale depositato a pari sezione del poro e variano gli effetti che si ottengono con la variazione di diversi parametri.
Inoltre la posizione del poro (sia in termini assoluti che relativi) ha la sua influenza: una minor porosità porta ad avere un leggero aumento del materiale depositato al fine di compensare la maggior distanza relativa tra due pori.
Gli effetti del moto della soluzione elettrolitica risultano trascurabili in regime laminare per geometrie con pori molto profondi a causa dell'assenza di convezione all'interno dei pori.
I gradienti termici, invece, portano a un aumento dello spessore di materiale depositato che arriva fino al 12.2% con una differenza di temperatura di 10°C tra i due elettrodi.
Una maggior complessità della simulazione porta a un incremento dei tempi di calcolo: nelle simulazioni più complesse comprendenti più fisiche (ovvero fluidodinamica e scambio termico) sono state adottate geometrie semplificate.
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Abstract
The activity presented in this work focuses on the galvanic electrodeposition process.
This process was chosen because it’s strictly related to charge and discharge cycles which can be observed in Li-ion batteries typical of modern BEVs, PHEVs and FCEVs.
The process has been studied via multi-physics simulations based on mathematical models describing its characteristic phenomena.
Copper deposition has been chosen due to the simple environment that can return important results that can lead to further improvements in battery electrodes.
The goal is to estimate the coating thickness and its distribution as a function of copper concentration, pores’ length, porosity, overpotential, temperature, fluid velocity and exchange current density to evaluate the behavior of the system in different environments.
Simulations were carried out in order to compare different geometries and environments in terms of computational time, in order to evaluate the feasibility of the simulations.
Simplified 2D models were created starting from electrodes’ porous surface.
An increase in temperature and concentration led to an increase in layer thickness; a higher over-potential returned an increase in layer thickness and a spiky profile if overpotential rose above a threshold level related to the pore’s geometry and a higher exchange current density returned a different deposition profile with higher thickness near the pores’ entrance but lower thickness deeper in the pore.
The pores’ L/ϕ ratio influences the deposition process, reducing the amount of material deposited with longer pores and modifying the effects that come with the variation of different parameters.
Pores’ position (in both absolute and relative terms) has its influence too: a lower pore density lead to a slight increase in material deposited in order to compensate for the higher mutual distance between pores.
Effects of fluid motion of the electrolyte solution can be considered negligible in laminar regime for geometries with long pores due to the absence of convection inside the pores.
Thermal gradients, instead, returned an increase in deposited layer thickness that can go up to 12.2% with a 10°C temperature difference between the two electrodes.
Increased complexity of the simulation leads to increased computational times: with complex multi-physics simulations (i.e. Fluid-Dynamics and Heat Transfer simulations) simplified geometries have been adopted.
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