电池模块更新

COMSOL Multiphysics® 6.0 版本为“电池模块”的用户引入了插层应变-应力公式和预定义的多孔导电黏合剂域,用于锂离子电池建模,还引入了充电/放电循环的事件序列。请阅读以下内容,进一步了解有关电池更新的信息。

吸附-解吸物质

现有电极表面 边界条件的建模功能已经通过一组预定义的方程进得到扩展,这些方程可以跟踪表面位置占有率和吸附物质的表面浓度。通过新增的吸附-解吸物质 栏,您可以结合多步骤电化学反应,对电极表面的吸附-解吸动力学和热力学问题进行建模。

通孔模型,以 Rainbow 颜色表显示浓度变化。 铜沉积后通孔的变形几何形状中的浓度变化。
“模型开发器”的特写视图,其中突出显示“电极表面”节点,并显示其对应的“设置”窗口;“图形”窗口中显示通孔模型。 电极表面 设置窗口中新增了用于定义吸附-解吸过程的栏。非法拉第反应 设置包含吸附-解吸过程的反应速率表达式。

嵌锂引起的应力和应变

锂嵌入电极材料(如石墨)会导致锂离子电池电极在充电和放电循环期间膨胀和收缩,从而导致电极产生应力和应变。最终,应力和应变可能会导致电极出现裂纹,使得电池性能下降。在固体力学 接口中,您可以使用新增的插层应变 特征来估算给定电极设计的应力和应变,并用来计算电极随着时间推移发生的性能退化和老化。您可以在异构 NMC 电极,异构锂离子电池教学案例中查看这一新特征的应用演示。

以 Rainbow 颜色表显示的电池电极微观结构中的应力。 电池电极微观结构中的 von Mises 应力。
“模型开发器”的特写视图,其中突出显示“插层应变”节点,并显示其对应的“设置”窗口;“图形”窗口中显示 NMC 电极模型。 显示了 插层应变节点及其“设置”窗口的用户界面。

预定义的多孔导电黏合剂域

黏合剂用于锂离子电池电极,将不同的电极材料和集流体固定在一起。通过新增的多孔导电黏合剂 特征,您可以为相应的黏合域指派均质属性,同时使用高度精确的异构方法定义电极颗粒。异构 NMC 电极,异构锂离子电池教学案例采用了这一新特征。

“模型开发器”的特写视图,其中突出显示“多孔导电黏合剂”节点,并显示其对应的“设置”窗口;“图形”窗口中显示一个 NMC 电极模型。 显示了 多孔导电黏合剂域节点及其对应的设置,图形窗口中显示相应的选择。

充电/放电多步骤循环的事件序列

使用事件 接口时,您现在只需要定义循环中的状态(即电压或电流)、结束条件或序列中某个步骤的持续时间。控制模型中边界条件或域设置的状态变量将会自动生成,并在不同状态之间进行相应的转换。您可以在具有多孔电极的电化学电容器教学案例中查看这一更新功能的应用演示。

“模型开发器”的特写视图,其中突出显示“序列成员”节点,并显示其对应的“设置”窗口;“图形”窗口中显示一维绘图。 模型树显示了一个恒定电流步骤,然后是恒定电压步骤,最后是一个休眠步骤。图中显示了三种不同的充电-放电循环序列。

新增“锂离子电池,变形几何”多物理场接口

通过新增的锂离子电池,变形几何 多物理场接口,您可以自动耦合电流密度分布和锂金属电极因金属沉积和溶解而产生的变形。这种耦合将基于浓度-溶液的电解质传输(在纽曼模型中使用)与动网格的建模功能结合起来,以分析充电和放电循环中的几何形状变化。您可以在析锂变形教学案例中查看这个新增接口的应用演示。

COMSOL Multiphysics 用户界面,显示了“模型开发器”,其中突出显示“电极表面”节点,并显示其对应的“设置”窗口;“图形”窗口中显示一系列的结果。 位于上图底部的锂电极几何形状的变化图显示了锂金属电极厚度的增长。

Brinkman 方程接口的多孔滑移

多孔介质流动的边界层可能非常薄,在 Brinkman 方程模型中求解不切实际。通过新的多孔滑移 壁处理特征,您可以在不解析边界层中的全流动剖面的情况下对壁进行分析。而应力条件应用于表面,通过利用边界层速度剖面的渐近解,获得相当高的本体流动精度。该功能在 Brinkman 方程 接口的设置 窗口中激活,然后用于默认的壁条件。您可以在涉及由 Brinkman 方程描述的地下水流以及模型域较大的大多数问题中使用这一新特征。

多孔反应器模型,以 Rainbow 颜色表显示流场和浓度。 多孔反应器模型的流场和浓度场。
“模型开发器”的特写视图,其中突出显示“Brinkman 方程”节点,并显示其对应的“设置”窗口;“图形”窗口中显示多孔反应器模型。 多孔滑移选项可在 Brinkman 方程接口的 设置窗口中找到。

多孔介质传热

多孔介质传热功能已经过改进,现在更方便用户使用。“传热”分支下现在提供新的多孔介质 物理领域,包括多孔介质传热局部热非平衡填充床传热 接口。所有这些接口在功能上都是相似的,不同之处在于这些接口内的默认多孔介质 节点分别选中以下选项:局部热平衡局部热非平衡填充床。上文已经描述了后一个选项,局部热非平衡 接口取代了多物理场耦合,并且对应于一个双温度模型:一个用于液相,一个用于固相。由于液相中的强对流和固相中的高传导(如金属泡沫),典型应用可能涉及多孔介质的快速加热或冷却。选择局部热平衡 接口后,新的平均选项可用于根据多孔介质配置定义有效导热系数。

此外,后处理变量可统一用于三种类型多孔介质的均质量。您可以在以下现有教学案例中查看新增的多孔介质:

“模型开发器”的特写视图,其中突出显示“多孔介质”节点,并显示其对应的“设置”窗口。 您现在可以从 多孔介质特征中选择多孔介质类型的选项。
“模型开发器”的特写视图,其中突出显示“多孔介质”节点,并显示其对应的“设置”窗口。 定义局部热平衡时多孔介质中有效导热系数的选项。

非等温反应流

新版本引入了非等温反应流 多物理场接口,可以自动建立非等温反应流模型。反应流 多物理场耦合现在包含耦合化学传热 接口的选项。利用这种耦合,可以在模型中包含热量和物质方程之间的交叉贡献,如相变焓或焓扩散项。不同量和材料属性的温度、压力和浓度依赖性也自动包含在内,从而可以使用相应的预定义变量执行热和能量平衡。

管式反应器模型,以 Rainbow 和 HeatCamera 颜色表显示温度分布。 管式反应器中的温度分布。

多孔介质中的非等温流动

新增的非等温流动,Brinkman 方程 多物理场接口自动添加了多孔介质中传热与流体流动的耦合,将多孔介质传热Brinkman 方程 接口耦合起来。

以 HeatCamera 颜色表显示温度的多孔结构。 “多孔介质中的自然对流”教学案例采用了新增的非等温流动功能,图中显示受温度梯度影响的多孔结构中的温度 (K) 和随后的自然对流。

大幅改进多孔材料的处理

多孔材料现已在多孔材料 节点的相特定的属性 表格中定义。此外,您可以为固体和流体特征添加子节点,从中可以为每个相定义多个子节点。这样就可以将一种相同的多孔材料用于流体流动、化学物质传递和传热,而无需复制材料属性和设置。您可以在整体式反应器中氧化氮还原反应教学案例中查看这一更新功能的应用演示。

“模型开发器”的特写视图,其中突出显示“多孔材料”节点,并显示其对应的“设置”窗口;“图形”窗口中显示填充床反应器模型。 多孔材料的新 材料节点,以填充床的多尺度模型为例。

新增和更新的教学案例

COMSOL Multiphysics® 6.0 版本的“电池模块”引入了多个新的和更新的教学案例。

异构 NMC 电极

以 Rainbow 颜色表显示的电池电极微观结构中的应力。 电池电极微观结构中的 von Mises 应力。

“案例库”标题: nmc_electrode_heterogenous

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异构电极模型均质化

异构 NMC 电极模型中的锂浓度和离子流。 异构 NMC 电极中的锂浓度和离子流。

“案例库”标题: nmc_electrode_homogenization

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具有多孔电极的电化学电容器

“多孔基体双电层电容”节点“设置”窗口的特写视图,“图形”窗口中显示一维绘图。 电化学电容器中多孔电极中电流分布和电极利用率的一维教学案例。您可以使用 Nernst-Planck 方程来模拟二元电解质中的扩散和迁移,使用迂曲度和孔隙率参数来推导多孔电极的有效传输参数。

“案例库”标题: electrochemical_capacitor_porous_electrodes

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电化学电容器中的寄生反应

“多孔电极反应”节点“设置”窗口的特写视图,“图形”窗口中显示一维绘图。 这个示例模型说明了氧和氢的形成和重组对含水电解质电化学电容器性能和自放电的影响。

“案例库”标题: electrochemical_capacitor_side_reactions

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析锂变形

COMSOL Multiphysics 用户界面,显示了“模型开发器”,其中突出显示“电极表面”节点,并显示其对应的“设置”窗口;“图形”窗口中显示一系列的结果。 具有固体锂金属电极(下边界)和多孔对电极(上部矩形域)的电解质中的电流和电势分布。锂沉积在下边界,挤压电解质,扩大了初始状态下较小的存在于下边界的表面缺陷。通过使用电流反向充电方案,可以减缓金属突起的增长速度。

“案例库”标题: lithium_plating_with_deformation

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