COMSOL® 产品库

理解、设计和优化电池系统

用于在一维、二维和三维中模拟电极动力学、离子传输、电荷守恒、质量传递、流体流动和传热的软件

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,涵盖了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。对于众所周知且经过验证的系统,模块中提供了基于物理场或等效电路的集总模型。

请注意,随着 5.6 版本的发布,产品名称已从“电池与燃料电池模块”更改为“电池模块”,同时保留了所有功能。需要运行燃料电池和电解槽仿真的用户现在可以使用新增的燃料电池和电解槽模块

电池模块支持的建模对象

锂离子电池系统

锂离子电池因其高功率和高能量密度而成为便携式应用中最受欢迎的电池。“电池模块”的特点是包含最先进的基于科学文献的最新发现提供预定义的 Newman 模型的锂离子电池接口,例如,其中内置了不同的老化机制,包括 SEI 的生长、金属电镀、短路和电解质降解等。这些高保真的模型可用于一维、二维和全三维建模;此外,还增加了额外维度用来模拟电极颗粒中的嵌锂行为。

本模块不仅可以模拟电化学反应,在与传热结合使用时,还具有完整的能量平衡功能。与结构力学模块结合使用时,您还可以分析由嵌锂的膨胀和收缩引起的结构应力和应变。

为了顺应电池建模的最新趋势,模块中还包含异构模型的功能,可以模拟典型单电池的多孔电极和孔隙电解质的详细结构。此类模型可用于更深入地了解电池微观结构的影响。

铅酸电池系统

“电池模块”包含用于模拟铅酸电池的最先进的电池模型之一,其中包括电解质(隔膜和孔隙电解质)中的离子势、固体电极(和集流体/馈线)中的电势、电解质组成以及电极孔隙率的因变量。此外,模块中还包含铅酸电池的热力学和动力学参数数据库。

典型的用途是研究设计参数对电池性能的影响,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、电极的孔隙率、隔膜的几何形状和组成,等等。

支持运行的研究包括全瞬态研究(包含双电层电容的影响)和频域中的阻抗谱研究。

一般电池系统

“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。在电极中,孔隙电解质与隔膜中的电解质相接触。

电极中的多孔结构是均匀的,这意味着空间中充满了孔隙电解质和固体电极材料,并且体积分数决定了各个相的属性。输运方程以及电化学和化学反应使用 Newman 在《电化学系统》 一书中提出的多孔电极理论进行处理。

您可以使用该模块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。如需相关示例,请参考“案例库”中提供的钒电池教学案例。

对于任何组分,都可以使用浓电解质、稀电解质(Nernst-Planck 方程)和支持电解质的理论来描述孔隙电解质和隔膜中的电解质。

本模块将具有二元电解质的特定电池版本作为预定义的功能提供,您可以使用此功能对镍氢电池和镍镉电池进行建模,还可以在固相中插入氢等材料。

COMSOL Multiphysics 用户界面,显示了“多孔电极”设置和软包锂离子电池模型,其中用 Cividis 颜色表将电极利用率可视化。 大型软包锂离子电池的电流分布和电极利用率。该模型是全三维 Newman 模型,其中电极上每个点的第四维表示电极颗粒的半径。
铅酸电池模型,显示了电极电流密度大小(白色到深紫色的渐变色)和电解质电位(深蓝色到白色的渐变色)的体图。 铅酸电池栅极的电流密度和电位分布。
COMSOL Multiphysics 用户界面,显示了“三次电流分布,Nernst-Planck”设置和钒液流电池中浓度的表面图。 这个钒液流电池二维教学案例演示如何将离子交换膜的三次电流分布模型与液流电池的两个不同自由电解质室的三次电流分布模型进行耦合。该模型总共包含 7 种不同的离子。

电池模块的特征和功能

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受到不必要的副作用,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。

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-反应方程来模拟,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氢的插层。

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,这在本模块“案例库”中包含的镍镉电池教学案例中得到了例证。

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。

瞬态研究的原理是,能够在不同的时间尺度上对过程进行分离。例如,动力学和扩散通常是具有不同时间常数的过程。因此,它们会在不同的频率和时间尺度下产生阻抗效应。

通过执行瞬态研究,我们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,我们可以对电池系统的健康状况做出非常准确的估计。

简化的集总电池系统

如果我们使用全三维模型进行电化学分析,那么电池组的热分析可能会非常耗时。一种替代方法是使用经过验证的集总(简化)模型来分析电池组中的每个电池。一旦经过验证,集总模型便可以在特定(可能是有限的)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,可以求解一维加伪维(颗粒维度)、零维加伪维以及纯零维(例如等效电路)模型的电化学方程。

多组分模型可以包含从详细三维模型到集总零维模型的全保真度。这些模型作为单独的组件合并在一个多组分模型文件中。因此,当需要针对新的工作范围对集总模型进行更新和验证时,您可以轻松地在集总模型之间进行切换并使用详细的模型。

内置用于电池系统的热力学和材料属性

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一致地使用这些数据。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。

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

COMSOL Multiphysics 用户界面,显示了“多孔电极反应”设置和铅酸电池的电解质浓度一维绘图。 铅酸电池的正极可能会发生析氧副反应,该反应会添加到用户界面。绘图显示在 20°C 放电期间,电解质盐浓度(孔隙电解质和隔膜)随时间的变化情况。
COMSOL Multiphysics 用户界面,显示了“多孔电极反应”设置和镍镉电池的一维电势图。 镍镉电池模型,详细描述了多孔微结构中的电化学和氢离子传输。
COMSOL Multiphysics 用户界面,显示了锂离子电池的“颗粒插层”设置,以及电池阻抗 vs. 参考阻抗的一维奈奎斯特图,对仿真结果与实验结果进行了比较。 使用完全基于物理场的(Newman)锂离子电池模型对交流阻抗谱进行参数估计。“电池模块”包含阻抗谱作为预定义的研究。
COMSOL Multiphysics 用户界面,显示了“电压损失”设置,“图形”窗口中显示一个电池组模型,其中使用热像仪颜色表来显示温度。 结合三维传热分析简化的基于物理场的锂离子电池的电化学模型,其中的每个单电池都有一个简化的温度相关电化学模型。
COMSOL Multiphysics 用户界面,显示了“多孔电极反应”设置,“图形”窗口中显示一个电池组模型,右侧显示了可添加材料的列表。 不同电极的电极电位随荷电状态(SOC)变化的函数。用户可以从软件为许多化学物质提供的内置数据库中获取电解质和电子导体的电导率。

每个公司、每个仿真需求都是独特的。
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