锂离子电池
“电池模块”为锂离子电池的仿真分析提供了最前沿的模型，涵盖多种电池老化机制，包含 Newman 等高保真模型，可实现一维、二维和全三维建模。除了能够单独模拟电化学反应外，还支持将这些反应与传热过程进行耦合分析，并可考虑因嵌锂引起的体积膨胀与收缩所产生的结构应力和应变。此外，该模块还提供非均质模型构建功能，能够准确描述孔隙电解质与电极颗粒的真实几何形状。通过对电池微观结构进行精细化建模，用户可以更深入地理解电池的整体性能表现。
电池模块
理解、设计和优化电池系统
电池建模仿真所需的具体细节，取决于所要解决的实际问题。“电池模块”是 COMSOL Multiphysics® 软件的一款附加产品，支持在广泛的尺度范围内对电池系统进行模拟——从电池多孔电极的精细微观结构，到电池组级别的热管理系统，均可覆盖。
本模块的物理描述涵盖多种关键物理现象，包括：带电物质与中性物质的传递、电荷平衡、化学与电化学反应、焦耳热以及由电化学反应引起的热效应、功率损耗、传热、流体流动，以及其他对于理解和分析电池系统至关重要的物理过程。
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铅酸电池
在铅酸电池仿真方面，软件提供多种因变量，可用于描述电解质中离子势与组分的变化，以及固体电极中电势与孔隙率的分布。模型还可以考虑固体物质的溶解与沉积过程。此外，软件内置了多种特征，用于研究不同设计参数对电池性能的影响，涵盖电极与隔膜的厚度和几何形状，以及集流体和馈电结构等多种组件的几何构型。
通用电池
“电池模块”的核心功能在于对包含正极、负极和隔膜的电池单元进行精细化仿真。借助对多孔电极的通用描述，用户可以在电极中定义任意数量的竞争反应，并将这些反应与任意组分的电解质进行耦合。本模块基于浓溶液、稀溶液（能斯特–普朗克方程）以及支持电解质等理论，结合多孔电极理论，能够精确描述任意组分的孔隙电解质与隔膜电解质的电化学行为。
电池模块的典型应用
使用 COMSOL® 软件，对各类电池系统进行全面的电化学分析。
非均相与均相模型
基于电池代表性单元，构建多孔电极和孔隙电解质的精细结构模型。
固体电解质界面（SEI）的生长
模拟锂离子电池中石墨负极的老化过程。
扩散诱导应力
计算膨胀和收缩引起的插层应力和应变。
短路
研究电池的内部短路情况。
额外维度
模拟电极颗粒中的嵌锂行为。
双电层电容
模拟电化学电容器及其纳米电极。
镍氢电池和镍镉电池
模拟采用碱性二元（1:1）电解质的电池，包括镍氢（Ni–MH）电池和镍镉（NiCd）电池。
液流电池
模拟铅酸电池和全钒液流电池在充放电负载循环下的性能表现。
金属沉积
指定电极承载容量，以避免在高速充电过程中出现锂金属沉积问题。
孔隙率效应
模拟受多孔介质物质传递影响的化学反应。
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。
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。
热失控
使用基于事件的热源，模拟电池模组或电池组中的热失控传播过程。
电池模块的主要功能
“电池模块”提供一系列专用功能，用于模拟电池在多种工况下的性能表现。
电池组建模
为加快三维电池组的热分析速度，可以采用经过验证的集总（简化）模型来表示电池组中的每个电池。完成验证后，这类集总模型在特定工作范围内通常能够提供极高的计算精度。“电池模块”包含多种基于物理场的集总模型，例如双电极单颗粒模型，通过求解多个空间维度中的电化学方程，实现对电池行为的模拟。
集总电池 接口通过一组较少的集总参数来表示电池中各类电压损失的总和，这些损失主要来源于欧姆电阻，并可根据需要加入电荷转移和扩散过程的贡献。如需在三维几何结构中构建并连接多个集总电池模型，可以使用电池组 接口模拟电池组的热管理行为。该接口通常与传热 接口耦合使用，并提供热事件功能，可用于研究热失控传播问题。此外，还可以通过电池等效电路 接口定义基于任意数量电路元件的电池模型。
支持任意数量电化学反应的多孔电极
在电池系统及其相关的化学体系中，电极上常伴随多种非期望的副反应，不仅会影响电池的充放电循环性能，还可能导致自放电现象的发生。通过建模仿真，可以研究这些副反应对电池行为的影响。本模块提供一个包含预定义反应的数据库，并支持在电极中添加任意副反应，能够灵活模拟不同电池化学体系下的复杂反应过程。
支持分析的典型副反应包括：析氢、析氧、固体电解质界面的生长、金属沉积、金属腐蚀以及石墨氧化等。
全瞬态与阻抗谱研究
电池系统通常是封闭体系，在运行过程中难以直接观测其内部状态。通过采用电位阶跃、电流中断和阻抗谱等瞬态方法，可以在电池实际工作条件下对其进行动态特性分析。
瞬态研究支持在不同的时间尺度和频率范围内进行参数估计，从而分离欧姆损耗、动力学损耗、传递损耗以及其他可能导致电池老化的损耗机制。通过将瞬态技术与数值建模、参数估计方法相结合，可实现电池系统健康状态的高精度评估。
高保真电池建模
锂离子电池 接口用于计算锂离子电池中的电势和电流分布，支持多种插层电极材料，并涵盖由固体电解质界面（SEI）层引起的电压损失。
二元电解质电池 接口适用于通用电池中电势与电流分布的仿真计算，支持多种插层电极材料，同时能够涵盖因多孔电极表面成膜效应所导致的电压损失。
孔隙结构中的插层物质与传递
多孔电池电极中的颗粒既可以是致密固体颗粒（如锂离子电极），也可以是多孔颗粒（如铅酸电池、镍镉电池）。对于致密固体颗粒，电极孔隙主要存在于颗粒堆积形成的间隙中。然而，对于氢原子和锂原子等小尺寸原子而言，其传递与反应也可能发生在固体颗粒内部，可以通过沿固体颗粒半径方向定义的独立扩散-反应方程进行建模，并在颗粒表面与颗粒间孔隙电解质中传递的物质中耦合其通量。对于锂离子电池，系统已预定义插层物质及其相关反应；同样的建模功能也可用于模拟镍氢电池中氢在电极材料中的嵌入等过程。
多孔颗粒体系中会形成双峰孔隙结构：一类为颗粒堆积之间形成的大孔结构，另一类为颗粒内部的微孔结构。这种体系中的反应–扩散方程与固体颗粒中插层物质的建模方法类似，通过相同的思路进行定义与求解。
内置热力学与材料属性
模块内置了电池材料数据库，涵盖多种常用电极和电解质材料，可显著减少新建电池模型时的数据准备工作量。
在电池系统建模过程中，最耗时且容易出错的步骤之一是收集输入数据，它们需要在整个模型中保持一致。例如，正负极材料必须基于相同的参考系进行定义。平衡电极（半电池）电势也需在相同的参比电极、电解质和温度条件下测量或校准后，才能集成至同一电池系统模型中。
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