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Tese de Doutoramento em Ciências - Especialidade em Física, There is an increasing need for larger battery autonomy and performance related to rapid technological advances in portable electronic products such as mobile-phones, computers, e-labels, e-packaging and disposable medical testers, among others. The advantages of lithium-ion batteries in comparison to other battery types, such as Ni-Cd ones, are the fact of being lighter and cheaper, showing high energy density (between 100 and 150 Wh kg-1) and a large number of charge/discharge cycles. The key issues for improving lithium-ion battery performance are specific energy, power, safety and reliability. Typically, the performance of a battery is optimized for either power or energy density through the improvement of electrodes and separator materials. Computer simulations of battery performance are important and critical for optimizing materials and geometries. Models have been developed considering the physical-chemical properties of the materials to be used as electrodes and separators, the choice of the most suitable organic solvents for electrolytes, the geometry and dimensions of the components that make up the battery as well as the porosity of the electrodes. The objective of the present work was the optimization of lithium-ion battery performance through computer simulations based on the Doyle/Fuller/Newman model for separators, electrodes (anode and cathode) and full/half-cells in order to understand the main processes that affect battery performance. Thus, along this work, simulations were developed to improve the performance of a lithium-ion batteries. Thus, simulation of the different battery components (separator and electrodes) were developed. The first simulation explores the influence of the geometrical parameters of the separator (porosity, turtuosity and separator thickness) in the performance of the battery. Then, the optimal relationship between active material, binder and conductive additive for lithium-ion battery cathode was studied. Further, a simulation of an interdigitated battery was performed, where the effect of the number, thickness and the length of the digits on the delivered battery capacity was evaluated. Finally, different conventional and unconventional geometries were evaluated taking into account their suitability for different applications without and with consideration of different thermal conditions. The different thermal conditions included isothermal, adiabatic, cold, regular and hot conditions. In relation to the separator, it was observed that its ionic conductivity depends on the value of the Bruggeman coefficient, which is related to the degree of porosity and tortuosity of the membrane. It was determined that the optimal value of the degree of porosity is above 50% and the separator thickness should range between 1 μm and 32 μm for improved battery performance. For the electrodes, it is shown that optimization of the electrode formulation is independent of the active material type but depends on the minimum value of n, defined as the percentage of binder content /percentage of conductive material, depending also on the discharge rate. The influence of different geometries, including conventional, interdigitated, horseshoe, spiral, ring, antenna and gear, in the performance of lithium-ion batteries was analyzed and the delivered capacity depends on geometrical parameters such as the maximum distance that ions move until occurs intercalation process, the distance between the current collectors and the thickness of the separator and the electrodes. For interdigitated structures, the delivered capacity of the battery increases with increasing the number of digits as well as with increasing thickness and length of the digits. Finally, the influence of the thermal behavior on battery performance was evaluated for the aforementioned geometries under different conditions, isothermal, adiabatic, cold, regular and hot conditions. The gear and interdigitated batteries presented the highest delivery capacity at all thermal conditions. In conclusion, in order to improve the performance of lithium ion batteries, it is necessary optimize the geometric parameters of the separator, the percentages of binder, active material and conductive additive in the cathode, as well as the battery geometry (conventional, interdigitated and unconventional geometries) at different thermal conditions., Nos dias de hoje, devido ao galopante avanço tecnológico, há uma crescente necessidade de maior autonomia e desempenho de baterias para uso em dispositivos eletrónicos portáteis (telemóveis, computadores, identificadores eletrónicos, embalagens eletrónicas e dispositivos médicos de diagnóstico descartáveis, etc). As vantagens das baterias de iões de lítio, comparativamente com outros tipos de baterias tais como as de Ni-Cd, são o facto de serem mais leves e económicas, tendo elevada densidade de energia (entre 100 e 150 Wh kg-1) e um elevado número de ciclos de carga/descarga. As caraterísticas que permitem potenciar o desempenho da bateria de iões de lítio são energia específica, potência, segurança e confiabilidade. Tipicamente o desempenho de uma bateria é otimizado para uma melhor potência ou densidade de energia, o que é conseguido através da melhoria dos elétrodos e do material dos separadores. As simulações computacionais que avaliam o desempenho das baterias são de uma enorme importância para a otimização de materiais e geometrias das mesmas. Os modelos têm sido desenvolvidos tendo em conta as propriedades físico-químicas dos materiais que são usados como elétrodos e separadores, a escolha de solventes orgânicos mais adequados para os eletrólitos, a geometria e dimensões dos componentes que constituem a bateria, assim como a porosidade dos elétrodos. O objetivo do meu trabalho é a otimização do desempenho da bateria de iões de lítio através de simulações em computador baseadas no modelo de Doyle/Fuller/Newman para os separadores, elétrodos (ânodo e cátodo) e completas/meias-células de baterias de iões de lítio, para que se possam entender os principais processos que afetam o desempenho da bateria. Assim, ao longo deste trabalho, foram desenvolvidas simulações para melhorar o desempenho das baterias de iões de lítio, tendo sido implementadas simulações dos diferentes componentes da bateria (separador e elétrodos). Numa primeira simulação explorou-se a influência dos parâmetros geométricos do separador (porosidade, tortuosidade e espessura do separador) no desempenho da bateria. De seguida, fez-se um estudo otimizado da relação entre o material ativo, o material ligante e o material condutor para o cátodo de uma bateria de iões de lítio. Além disso, foi realizada uma simulação de uma bateria interdigitada, onde foi avaliado o efeito do número, espessura e comprimento dos dígitos na capacidade da bateria. Finalmente foram avaliadas diferentes geometrias convencionais e não convencionais tendo em conta a sua adequação para diferentes aplicações, considerando diferentes condições térmicas. As diferentes condições térmicas incluíram condições isotérmicas, adiabáticas, frias, regulares e quentes. Em relação ao separador observou-se que a condutividade iónica depende do valor do coeficiente de Bruggeman, que está relacionado com o grau de porosidade e tortuosidade da membrana. Assim, foi determinado que o melhor valor para o grau de porosidade se situa acima de 50% e que a espessura do separador se deve situar entre 1 μm e 32 μm, para um melhor desempenho da bateria. Para os elétrodos mostrou-se que a sua otimização é independente do tipo de material ativo, mas depende do valor mínimo de n, razão entre a percentagem de material ligante (C2) e material condutor (C3), dependendo também da taxa de descarga. A influência das diferentes geometrias (convencional, interdigitada, ferradura, espiral, anel e roda dentada) no desempenho das baterias de iões de lítio foi analisada e o seu valor de capacidade depende de parâmetros geométricos tais como, a distância máxima que os iões se movem até que ocorra processo de intercalação, distância entre os coletores de corrente e a espessura do separador e elétrodos. Para a geometria interdigitada a capacidade da bateria aumenta, não só com o aumento do número de dígitos, mas também com o aumento da espessura e do comprimento dos dígitos. Por fim, a influência do comportamento térmico no desempenho da bateria sob diferentes condições (condição isotérmica, adiabática, frio, regular e quente) foi também avaliada para as diferentes geometrias. Neste aspeto, as geometrias roda dentada e interdigitada foram as que revelaram maior valor de capacidade para todas as condições térmicas. Em conclusão, no sentido de aumentar o desempenho das baterias de iões de lítio é necessário otimizar os parâmetros geométricos do separador, as percentagens de material ligante, material ativo e material condutor no cátodo, bem como a geometria da bateria (convencional, interdigitada, e as não convencionais), para diferentes condições térmicas.

Relatório de atividade profissional de mestrado em Ciências – Formação Contínua de Professores (área de especialização em Física e Química)