"Eesti Teadusfondi uurimistoetus" projekt ETF9216
ETF9216 "3D-mikroakude arendamine ja optimeerimine (1.01.2012−31.12.2015)", Heiki Kasemägi, Tartu Ülikool, Loodus- ja tehnoloogiateaduskond, Tartu Ülikooli Tehnoloogiainstituut.
ETF9216
3D-mikroakude arendamine ja optimeerimine
Development and optimization of 3D-microbatteries
1.01.2012
31.12.2015
Teadus- ja arendusprojekt
Eesti Teadusfondi uurimistoetus
ETIS klassifikaatorAlamvaldkondCERCS klassifikaatorFrascati Manual’i klassifikaatorProtsent
4. Loodusteadused ja tehnika4.12. Protsessitehnoloogia ja materjaliteadusT150 Materjalitehnoloogia2.3. Teised tehnika- ja inseneriteadused (keemiatehnika, lennundustehnika, mehaanika, metallurgia, materjaliteadus ning teised seotud erialad: puidutehnoloogia, geodeesia, tööstuskeemia, toiduainete tehnoloogia, süsteemianalüüs, metallurgia, mäendus, tekstiilitehnoloogia ja teised seotud teadused).50,0
4. Loodusteadused ja tehnika4.17 Energeetikaalased uuringudT140 Energeetika 2.2. Elektroenergeetika, elektroonika (elektroenergeetika, elektroonika, sidetehnika, arvutitehnika ja teised seotud teadused)50,0
PerioodSumma
01.01.2012−31.12.20128 496,00 EUR
01.01.2013−31.12.20138 496,00 EUR
01.01.2014−31.12.20148 496,00 EUR
01.01.2015−31.12.20158 496,00 EUR
33 984,00 EUR

Paljude tehnoloogiaharude arengus on kriitiliseks sõlmeks saanud teisaldatav energiallikas kas väikesemõõtmelise aku, superkondensaatori või kütuselemendi näol. Kasutades tavapäraseid kahemõõtmeline liitiumioonakusid, mis koosnevad elektrolüüdi ja separaatoriga plaatelektroodidest ja mis mahuks koos sensorite, arvutus- ja sideskeemidega 1-millimeetrise küljepikkusega mikroelektromehaanilise seadme (MEMS) sisse, ei ole võimalik saavutada piisavaid energia- ja võimsustihedusi. Olemasolevad mikroakud on kas suure mahtuvusega ja väikese väljundvooluga või vastupidi. Ühendamaks mikroakus energia- ja võimsustihedust, on välja pakutud akude elektroodide valmistamine kolmemõõtmeliste struktuuridena, milles hoitakse elektroodide vahel õhukest ning ühtlase paksusega elektrolüüdikihti ning suurendatakse oluliselt elektroodide pindala. Saadud 3-mõõtmeline mikroaku võiks teoreetiliselt suurendada maksimaalset väljundvoolu vähemasti suurusjärgu võrra. Lõplike elementide meetodil põhinevad arvutisimulatsioonid võimaldavad uurida füüsikaliste parameetrite muutumist ajas ja nende fluktuatsioone. Erinevate akumaterjalide, struktuuride ja geomeetriate simuleerimise tulemusena saavutatakse parim kombinatsioon reaalse aku prototüübi jaoks. Käesoleva projekti esmaseks eesmärgiks on luua ja arendada optimeerimismetoodika, mis võimaldab leida 3D-mikroaku sobivaimad geomeetriad. Koostöös EU 7. raamprogrammi Superlion'i (http://www.superlion.eu) osalejatega kontrollitakse ja võrreldakse simulatsioonitulemusi kõige värkemate katseandmetega 3D-mikroaku loomise käigus. Ekperimentaalse aku jaoks arvutatakse antud materjalide kombinatsiooni korral optimiseeritud geomeetriad.
Portable power supply in the form small-scale batteries, super-capacitors or fuel cells is a critical factor in many developing technologies today. A conventional lithium-ion battery, consisting of planar electrodes and fitting within dimensions of ~1 mm together with sensors, computation and communication circuits are typical components of Micro-Electromechanical devices (MEMS). However, for so small volumes, currently available batteries lack the ability to provide sufficient energy and power density. The 3D-Microbattery (3D-MB) achieves increased area-gain by use of the third dimension - the active material in the cell is deposited in the height as well. This design can theoretically increase the power density at least an order of magnitude. To simplify complicated experimental development of the 3D-MB, computer simulations are needed. Computer simulations based on Finite Element Method give a possibility to study the evolution and fluctuations of physical parameters relatively inexpensively, while giving detailed information about the performance of the battery and suggesting the best combination of material and geometrical parameters for the battery prototype. However, due to the large number of the parameters, the automated optimization of the battery architecture is needed. The development of the optimization methodology to calculate the most suitable geometries is one of the aims of the current project. In cooperation of the participants of the EU FP-7 project Superlion (http://www.superlion.eu) the simulations result will be validated against recent experimental results on 3D-Microbatteries and the optimum geometries will be calculated for given combinations of material and geometrical parameters.
Tänapäeval on arenev tehnoloogia üheks kriitiliseks sõlmpunktiks portatiivsed vooluallikad nagu väikesemõõtmelised akude, superkondensaatorite või kütuseelementid. Kuid mikroelektroonikas on mikroskaalas 2D aku (lineaarmõõtmed alla 1 mm) probleemiks, et selliste väikeste mahtude juures pole võimalik saavutada seadmete toiteks piisavat energiatihedust. 3D mikroaku komponendid on laias laastus samad, mis 2D akul, ent keerulisema ruumilise paigutusega ning elektroodid on avatud elektrolüüdis olevatele ioonidele kõigis kolmes ruumisuunas. Käesoleva uuringu põhieesmärgid: (1) 3D mikroakude optimeerimiseks vajaliku metodoloogia arendamine ja simulatsioonides kasutatavate mudelite täiustamine; (2) 3D vagumudeli (trench), 3D haakmudeli (interdigitated) ja 3D kontsentrilise mudeli (concentric) optimaalsete geomeetriliste ja materjaliparameetrite arvutamine. 3D mikroakude simuleerimiseks kasutatakse lõplike elementide meetodit (FEM). Simulatsioonid 3D vagumudeliga näitasid põhilisi tööriistu 3D mikroaku ioontranspordi omaduste uurimisel, samuti optimeerimise põhisuunda - materjaliparameetrite ja/või elektroodide kuju muutmine. Teravate nurkade kaotamine geomeetrias viib elektrokeemilise aktiivsuse ühtlasema jaotuseni. Positiivse ja negatiivse elektroodi juhtivuste suhe ei tohiks olla alla 0.25, millest allpool tekivad ebaühtlane voolutiheduse jaotus ja aktiivmaterjali jaotus. 3D haakmudel on keerukama geomeetriaga, aga lisandub elektroodipinda selle ruumalaühiku kohta. Geomeetriate kvantitatiivseks võrdlemiseks arendati välja sihifunktsioon. Polümeerelektrolüüt oli küll väiksema juhtivusega kui vedelikelektrolüüt, kuid selle eelisteks oli ühtlasem voolutiheduse jaotus aku sees. Level-set meetodiga optimeeritud geomeetria korral kasvas aku jõudlus pea 2 korda. Kontsentrilise mudeli korral leiti sammaste optimaalseks kõrguseks 70 mkm ja vahekauguseks 10 mkm, mille korral saavutati suurenenud mahtuvus, homogeenne elektrokeemiline aktiivsus üle kogu elektroodi pinna ja elektroodi- ning elektrolüüdimaterjali efektiivseim kasutatus.