电池模块

理解、设计和优化电池系统

根据不同的仿真目的,电池建模需要不同程度的细节。“电池模块”是 COMSOL Multiphysics® 软件的一个附加产品,从电池多孔电极的详细结构到包括热管理系统在内的电池组,其中涵盖各种尺度的广泛描述。

这些描述涉及带电和电中性物质的传递、电荷平衡、化学和电化学反应、焦耳热和电化学反应引起的热效应、传热、流体流动等各种物理现象,以及对于理解电池系统非常重要的其他物理现象。

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由 200 个电池组成的电池组模型,通过 Heat Camera 颜色表进行可视化。

锂离子电池

“电池模块”的特点是提供最先进的锂离子电池模型,其中包含具有不同老化机制的高保真模型(例如 Newman 模型),并支持一维、二维和全三维建模。除了对电化学反应本身建模以外,您还可以将它们与传热相结合,用于分析由嵌锂膨胀和收缩引起的结构应力和应变。不仅如此,还提供建立异构模型的功能,这些模型可以描述孔隙电解质和电极颗粒的实际形状,对电池微观结构的研究有助于更深入地了解电池的性能。

铅酸电池

本软件包含电解质的离子势和组成,以及固体电极中的电位和孔隙率的因变量,可用于铅酸电池仿真。模型中考虑了固体的溶解和沉积,其中的内置特征还支持您研究各种设计参数如何影响电池的性能,例如电极和隔膜的厚度和几何形状、集流体和馈线的几何形状,等等。

普通电池

“电池模块”的核心是具有正极、负极和隔膜的详细单电池模型。您可以使用对多孔电极的一般描述来定义电极中任意数量的竞争反应,并将其与任意组分的电解质进行耦合。本模块允许您使用浓溶液、稀溶液(Nernst-Planck 方程)理论,并将支持电解质与多孔电极理论相结合,从而描述任何成分的孔隙电解质和隔膜中的电解质。

电池模块支持的建模对象

使用 COMSOL® 软件对电池执行各种电化学分析。

一个三维模型,显示了深蓝色到白色渐变的流线,它们穿过紫色斑点状的结构。

异构和同构模型

对具有代表性的单电池的多孔电极和孔隙电解质的详细结构进行建模。

显示 1C 时 SEI 层电位降的一维绘图,y 轴为 SEI 层的电位降,x 轴为循环次数。

固体电解质界面的生长(SEI)

对锂离子电池石墨负极的老化进行建模。

扩散诱导应力的一维绘图,y 轴为应力(Pa),x 轴为归一化颗粒尺寸。

扩散诱导应力

计算膨胀和收缩引起的插层应力和应变。1

模型的放大视图,其中圆柱体显示为黄色,周围用 HeatCamera 渐变色填充。

短路

研究电池的内部短路情况。

由 12 个圆柱形电池组成的电池组模型,其中以彩虹色显示温度。

伪维

对电极颗粒中的嵌锂进行建模。

一维电容图,y 轴为浓度,x 轴为长度(nm)。

双电层电容

对电化学电容器和纳米电极进行建模。

以铜色和黑色显示的圆柱形电池模型,其中用 HeatCamera 颜色表显示的流线来表示电池下方的流场。

镍氢电池和镍镉电池

模拟含碱性二元(1:1)电解质的电池。

以彩虹色显示的铅流。

液流电池

模拟铅酸电池和钒液流电池在充放电负载循环中的情况。

充放电循环电位的一维绘图,y 轴为电池电位,x 轴为时间(单位:秒)。

金属沉积

指定电极主体容量,以避免在高速充电过程中锂金属的沉积。

一维绘图,y 轴为孔隙率,x 轴为正极无量纲厚度。

电解质降解

模拟受多孔介质物质传递影响的化学反应。

一维绘图,其中用蓝色显示模拟的阻抗 NCA 与参考值的关系,并用绿色显示实验阻抗 NCA 与参考值的关系,在达到 0.0016 之前,这两条线高度吻合。

阻抗谱

使用基于物理场的高保真模型研究电池的谐波响应。

一维绘图,y 轴为电池电位(单位:伏特),x 轴为时间(单位:秒),并用蓝线表示建模的电池电压,用绿线表示实验电池电压;这两条线高度吻合。

带参数估计的集总模型

根据一小组集总参数来定义简化的电池模型,将高保真模型的结果与实验结果进行拟合。2

  1. 需要“结构力学模块”
  2. 需要“优化模块”

电池模块的特征和功能

“电池模块”提供一套专用工具来模拟电池在不同工作条件下的性能。

COMSOL Multiphysics 用户界面,显示了“模型开发器”,其中突出显示“电压损失”节点,并显示其对应的“设置”窗口,以及电池组模型,其中用 HeatCamera 颜色表将温度可视化。

简化电池建模

为了更快地对三维电池组进行热分析,您可以对电池组中的每个电池使用经过验证的集总(简化)模型。集总模型一旦经过验证,便可以在特定的工作范围内提供极高的精度。“电池模块”包含基于物理场的集总模型,可以求解多个空间维度的电化学方程。

单颗粒电池 接口分别使用一个单独的单颗粒模型来表征电池的正负极,从而对电池中的电荷分布进行建模。集总电池 接口利用一小组集总参数来增加电池中所有电压损失的总和,这些电压损失源于欧姆电阻和(可选的)电荷转移和扩散过程。此外,您还可以使用电池等效电路 接口根据任意数量的电路元件来定义电池模型。

COMSOL Multiphysics 用户界面,显示了“模型开发器”,其中突出显示“多孔电极反应”节点,并显示其对应的“设置”窗口,以及模型的电解质浓度一维绘图。

具有任意数量电化学反应的多孔电极

电池系统和化学物质经常在电极上产生不必要的副反应,您可以研究它们对充放电循环以及自放电的影响。模块中提供了一个预定义反应数据库,您也可以在电极上添加任意副反应。

您可以模拟的典型副反应包括析氢、析氧、固体电解质界面的生长、金属电镀、金属腐蚀和石墨氧化。

COMSOL Multiphysics 用户界面,显示了“模型开发器”,其中突出显示“频域扰动”节点,并显示其对应的“设置”窗口,以及模型的阻抗一维绘图。

全瞬态和阻抗谱研究

电池系统通常是封闭系统,要研究其工作过程非常困难。我们可以使用电位阶跃、电流中断和阻抗谱等瞬态方法来表征工作中的电池。

通过执行瞬态研究,您可以在不同的时间尺度和频率下运行参数估计,从而分离欧姆、动力学、传输以及其他可能导致电池老化的损耗。利用瞬态技术、建模和参数估计,您可以对电池系统的健康状况做出非常准确的估计。

COMSOL Multiphysics 用户界面,显示了“模型开发器”,其中突出显示“锂离子电池”节点,并显示其对应的“设置”窗口,“图形”窗口中显示蓝色圆形模型,其中以红色、橙色、黄色和青色显示峰值。

高保真电池建模

锂离子电池 接口用于计算锂离子电池的电位和电流分布,支持使用多种插层电极材料,还包含 SEI 层引起的电压损失。

二元电解质电池 接口用于计算普通电池的电位和电流分布,支持使用多种插层电极材料,此外,还可以包含由于在多孔电极上形成膜而引起的电压损失。

COMSOL Multiphysics 用户界面,显示了“模型开发器”,其中突出显示“颗粒插层”节点,并显示其对应的“设置”窗口,以及模型的 NCA 和 LMO 的不同混合分数的电压曲线一维绘图。

双峰孔隙结构中的插层物质和传递

多孔电池电极中的颗粒既可以是固体(锂离子电极),也可以是多孔(铅酸,镍镉)结构。在固体颗粒情况下,电极中的填充颗粒之间存在孔隙。然而,对于氢和锂这样的小原子,固体颗粒中可能会发生传递和反应。这些插层物质通过沿固体颗粒半径定义的单独扩散-反应方程进行建模,其通量在颗粒表面与在颗粒之间的孔隙电解质中传递的物质相耦合。插层物质和反应是为锂离子电池预定义的,您也可以使用相同的功能来模拟镍氢等电池中的氢插层。

对于多孔颗粒的情况,可以得到双峰孔隙结构:填充颗粒之间的大孔结构和颗粒内部的微孔结构。多孔颗粒的反应-扩散方程的定义方式与固体颗粒中物质的插入方式类似。

COMSOL Multiphysics 用户界面,显示了“模型开发器”,其中突出显示“锂离子电池”节点,并显示其对应的“设置”窗口,以及电池组模型,其中用 HeatCamera 颜色表将温度可视化。

内置热力学和材料属性

模块附带的电池材料数据库包含许多通用电极和电解质材料,有助于大幅减少新建电池模型所需的工作量。

在电池系统建模过程中,一个比较耗时且容易出错的步骤是收集输入数据并合理地使用这些数据。例如,在同一参考系中定义正极和负极非常重要。在将平衡电极(半电池)电位纳入同一电池系统模型之前,必须针对相同的参比电极、电解质和温度进行测量或校准。

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