8. juunil 2012. a. kell 14.15 kaitseb Vahur Zadin doktoritööd "Modelling the 3D-microbattery" (3D-mikroaku modelleerimine). Kaitsmine toimub Nooruse 1-121.
Juhendajad: professor Alvo Aabloo ja teadur Heiki Kasemägi (Tartu Ülikool)
Oponent: dr. Mårten Behm, vanemteadur, KTH Royal Institute of Technology, Rootsi
Mikroelektroonika areng on paljudes tehnikavaldkondades võimaldanud luua väga väikesemõõdulisi seadmeid, näiteks sensoritega, arvutus ja kommunikatsiooniseadmete ning akuga varustatud autonoomseid seadmeid, mis mahuvad umbkaudu 1 mm3 sisse. Selliste seadmete üheks oluliseks komponendiks on sobiv kaasaskantava energiaallikas. Kahjuks on tehnoloogia areng mikroakude vallas jäänud maha elektroonika miniaturiseerimisest - praegu kasutatavad akud on märkimisväärselt suuremad seadme ülejäänud osadest. Selle tühimiku täitmiseks on välja pakutud kolmemõõtmeliste mikroakude kontseptsioon. Sellises akus asendatakse tavapärased plaatelektroodid kolmemõõtmelise struktuuriga elektroodidega, kusjuures tagatakse elektroodide geomeetria teineteisele vastavus. Sedasi on võimalik valmistada mikroaku, kus erinevalt tavaakudest on ühendatud nii suur mahtuvus kui ka suur võimsus.
Tavaakus toimub ioonide liikumine aku elektroodide vahel reeglina mööda sirgjoonelisi trajektoore mis muudab sellise aku oma olemuselt ühemõõtmeliseks. Kolmemõõtmeliste elektroodidega akus muutub olukord see-eest, keerulisemaks - ainuüksi kolmemõõtmeliste elektroodide kasutamine nõuab detailseid kolmemõõtmelisi geomeetrilisi mudeleid. Käesolevas doktoritöös on simuleeritud kolmemõõtmelist liitium-ioon akut, kasutades lõplike elementide meetodit. Simulatsioonid on läbi viidud erinevatel kolmemõõtmelistel geomeetriatel. Töö teoreetilises osas on välja töötatud algebralised võrrandid leidmaks statsionaarses seisundis elektrolüüdis elektrivälja ja ülepinget, mis lihtsustab oluliselt aku optimeerimise arvutusi.
Kolmemõõtmelise aku vedela elektrolüüdi simulatsioonides uuriti põhilisi ioontranspordi omadusi mis ilmnevad kolmemõõtmeliste geomeetriate kasutamisel. Töö tulemusena selgus, et ioontransport kolmemõõtmelises geomeetrias sõltub oluliselt elektroodide kujust ning juhtivusest. Ühtlaseim voolutiheduse jaotus saavutati kui elektroodidel oli võrdne juhtivus. Voolutiheduse jaotust oli võimalik ühtlustada ka lähendades kolmemõõtmelist geomeetriat kahemõõtmelisele.
Tühjakslaadimistsüklite simuleerimisel kolmemõõtmelises geomeetrias selgus, et ainult elektroodide võrdsest juhtivusest ei piisa, et tagada kolmemõõtmelise aku elektroodide optimaalne kasutus. Isegi võrdsete juhtivustega elektroodide puhul ei ole võimalik saavutada elektroodimaterjali ühtlast laadimist või tühjakslaadimist aku elektroodide geomeetriliste iseärasuste tõttu.
Arvestades, et positiivse ja negatiivse elektroodi juhtivused ei ole reaalsete materjalide puhul võrdsed, ühtlustati järgnevates arvutustes elektroodide juhtivused, kasutades kolmemõõtmelisi voolukollektoreid, mis olid kaetud elektroodimaterjalidega. Voolutiheduse ühtlustamisele aitas kaasa ka polümeerelektrolüütide kasutamine vedelate asemel. Simulatsioonides selgus, et polümeerelektrolüüdid võimaldavad voolutiheduse jaotust olulisel määral ühtlustada samas, kui vedelad võimaldavad suuremaid voolutugevusi.
Osutus, et ühtlane elektroodide tühjakslaadimine on võimalik saavutada kasutades ebaühtlase paksusega elektroodimaterjali kihti aku voolukollektoritel. Optimeerimise tulemus tagas kuni 2 kordset aku võimekuse kasvu võrreldes optimeerimata akuga.
Läbi viidud uurimistöö võimaldab paremini mõista elektrokeemilisi protsesse mis leiavad aset kolmemõõtmelises mikroakus. See võimaldab omakorda parendada eksperimentaalseid meetodeid akude valmistamiseks või võtta kasutusele täiesti uusi tehnikaid ning lahendada paljusid praeguseid probleeme (n. sisemised lühised). Elektroodide optimeeritud geomeetria leidmine annab olulisi vihjeid eksperimentaalseteks töödeks ning võimaldab olulisel määral lihtsustada kolmemõõtmeliste elektroodide valmistamist.