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化工 博客文章

通过集总模型估算锂离子电池的参数

2019年 10月 24日

锂可用于各种环境,但电池可能是最引人注目的。锂离子电池可用于电动汽车,储能系统等。但是,工程师必须首先通过电化学分析确保其性能达到预期。当电池由第三方制造时,这可能会成为一个问题:可能不会与电池工程师共享有关关键因素(例如内部结构)的信息。让我们看看黑盒模拟方法如何提供帮助。

使用 COMSOL Multiphysics® 优化 PID 控制器性能

2019年 6月 11日

想象一下,你正在公路旅行,以每小时 60 英里的速度在公路上行驶。为了保持这个速度,你决定打开巡航控制。毕竟你正在度假——为什么不让汽车替你干活呢?无论你是上坡还是下坡,汽车都会对速度变化做出反应,自动加速或减速。这种过程控制归功于比例-积分-微分(PID)控制器。通过仿真,工程技术人员可以优化这种控制装置。

使用COMSOL®软件仿真锂离子电池中的电极平衡

2019年 5月 16日

如果锂离子电池的电极平衡不正确,则电池开路电压将不会准确。在本篇博客文章中,我们将介绍电极中的物质守衡以及其是如何产生的,并使用COMSOL Multiphysics®软件演示了一个简易电池模型。通过该模型中使用的方法可以使电极实现平衡。此外,我们还将讨论如何将该方法用于高级建模,例如预测不同速率的充放电倍率容量并分析与电位相关的老化问题。 为什么电极平衡很重要? 电池单元由一个负极(放电过程中的阳极)和一个正极(放电过程中的阴极)组成。另外,在锂电池中,阴极上还原的锂离子的量必须等于阳极上氧化的锂原子的量。在电池工程中,平衡两侧的活性电极材料的数量至关重要。一种材料过多意味着有效地增加了电池的自重,因为如果另一种材料不能适当地平衡,则不可能100%的利用该电极的活性物质。 将电池充电和放电视为在两个杯子(电极)之间来回倒入能量饮料(锂)。鉴于一开始必须先装满一个玻璃杯(平整的),如何选择每个玻璃杯的尺寸以最大程度地减少容器的总体积,同时又要最大程度地增加倒出的液体的数量(容量)和流量(流量),而不会溢出(电池老化)? 在建模方面(对于同时定义正极和负极的任何模型),电极平衡具有重要意义,因为除非适当的平衡,否则电池模型的开路电势将是不正确的。(此外,如果您的开路电势不正确,这意味着您的模型甚至在未通电流时都是不准确的。) 下面从工程角度出发,讨论如何为特定容量的电池设计电极平衡。在此讨论中,我们将使用以下定义: 标准电池容量:在一定的充电/放电速率下,一组指定最大和最小电压限制的电池容量 宿主电池容量:每个电极中可以存储锂的位点数量 可循环锂:在循环过程中可从电极添加或去除的可循环锂原子的数量(两个电极的总和) 电极平衡理论 正极上的可循环锂 负极(石墨、钛酸盐、硅等)材料在制造时不含锂,或未完全锂化;而正极材料(锂金属氧化物,磷酸锂等)已完全锂化。因此,原始可循环锂的量等于正极的主体容量。最初的电极平衡方法是在正极上添加所需数量的电极材料,以达到电池的标称容量,并在负极上添加相应数量的电极材料。但是,这并不容易。 选择正极容量 在正电极上,高电势可能导致不可逆的电解质氧化和气体形成,或金属离子从氧化锂基体中溶解,完全脱锂也可能破坏基体。为了延长使用寿命(或为了安全起见),电池工程师必须指定最大电极电压。 本质上,该最大值意味着降低正极的允许锂化窗口,即在电池中必须使用比标准电池容量更多的正极活性材料(建模是评估各种充电倍率下电极中电势水平的绝佳工具,但这不是本篇博客文章的研究范围)。因为在正常操作范围内,只能允许利用一部分正极容量。因此,我们不能仅基于标称电池容量研究电极平衡,我们还需要考虑对负极的有害循环效应。 增加多余的负容量 在充电即将结束时,负极达到其最低电位。负极处的低电势对电池有害,因为这可能会加速固体电解质膜(SEI)的形成,电极电势开始接近锂金属电镀的电位。 如果在电池中发生锂金属镀层,则可能导致可循环锂的额外损失,并且还导致锂金属枝晶的生长,枝晶使电池存在短路的风险。此外,由于在接近完全锂化时电极的体积膨胀系数增加,导致低电位石墨制成电极存在机械破坏问题。 较大电充电流下产生的不均匀电流分布,会进一步加剧低电位及接近100%锂化的风险(建模可以帮助评估)。因此,相对于普通电池的标准容量,负极理论容量需要适当增加。但是,这也会是事情变得更加复杂。 化成与老化 新制电池的第一次充放电循环称为“ 化成”。在形成过程中,由于寄生反应(例如产生初始SEI膜的反应)而损失了少量可循环锂。这种损耗减少了可用于充电循环的锂量。 在循环过程中,析锂也可能会与某一电极的基体紧密地结合,以至于正常的充放电循环不能再进行。同样,颗粒破裂会导致活性物质与电极的其余部分失去连接。这种现象将减少可循环材料的数量和电极容量。 通常,平衡电池时会补偿不可逆的可循环锂的损失量和形成过程中的主体容量。但是,即使可以保持良好的平衡,并通过在设备中实施循环电压约束来最大程度地减少老化寿命,也无法完全解决这些问题。随着电池的老化,可循环的锂和活性材料将不断丢失,从而导致动态的平衡问题。 电极平衡与建模 模型中准确的电极平衡的重要性不容质疑。如果热力学(即开路电势)不正确,则根本无法通过调节电导率,交换电流密度和扩散系数来补偿,这意味着电池开路电压永远不会准确,也无法平衡。 在下文中,我们将介绍用于电极平衡的数学框架,并在两个不同的示例中使用该框架。 电极平衡的数学框架 需要三个物理电荷参数来定义电池单元平衡: Q\textrm{host,pos}(Ah) — 正极中的电量 Q\textrm{host,neg}(Ah) — 负极中的电量 Q\textrm{Li,tot}(Ah) — 两个电极中的总电量(可用于电化学反应) 对于每个电极,电极的锂化状态(SOL)定义为 \textrm{SOL}\textrm{pos} \equiv \frac{Q\textrm{Li,pos}}{ Q\textrm{host,pos}} 和 \textrm{SOL}\textrm{neg} \equiv \frac{Q\textrm{Li,neg}}{ Q\textrm{host,neg}} 其中,Q\textrm{Li,pos}(Ah) 和 Q\textrm{Li,neg}(Ah) 分别是存储在正极和负极中的锂原子的量。 现在,我们将介绍无量纲的参数Y。这些参数通过将相应的充电参数Q(Ah)除以电池的标准容量Q cell来实现无量纲: Yi = \frac{Qi}{Q\textrm{cell}} 为了定义电池的荷电状态(SOC),我们还需要将其中一个电极的锂化水平耦合到指定的SOC水平。 综上,需要四个参数来定义平衡模型: Y\textrm{host,pos}— 正极中无量纲的电量 Y\textrm{host,neg}— 负极中无量纲的电量 Y\textrm{Li,tot}— 无量纲的锂总电量 \textrm{SOL}{\textrm{neg},0}— SOC为0%时负极的SOL 电极的SOL可以写成下式: \textrm{SOL}\textrm{neg} = \textrm{SOL}{\textrm{neg},0}+\frac{\textrm{SOC}}{Y\textrm{host,neg}} 上述公式用于负极 \textrm{SOL}\textrm{pos} = \frac{Y\textrm{Li,tot}}{Y\textrm{host,pos}} – \frac{\textrm{SOL}{\textrm{neg}}Y\textrm{host,neg}}{Y\textrm{host,pos}} 上述公式用于正极。 当使用平衡表达式时,通常需注意,电极的无量纲电量直接与SOC和锂化程度有关,具体取决于 Y\textrm{host,neg}= \frac{1}{\textrm{SOL}_\textrm{neg,100} […]

数字孪生模型和基于模型的电池设计

2019年 2月 20日

通过将高保真多物理场模型与轻量级模型以及实测数据相结合,工程师可以创建数字孪生模型,进而去理解、预测、优化并控制现实界系统。

电镀法的艺术和科学

2018年 11月 13日

电镀化学是一种应用于汽车、电子、防腐、航空航天和国防工业的表面处理技术,既是一门艺术,也是一门科学。让我们具体解释一下。

如何模拟离子交换膜和唐南电位

2018年 8月 29日

离子交换膜广泛应用于电化学工程领域。在聚合物电解质燃料电池和钒液流电池中,它们用于传导离子,同时防止反应物和电子在两个流室之间流动。在电渗析中,促进正电荷或负电荷离子通过的能力也用于从离子中去除水。在本篇博客文章中,我们将探索离子交换膜的离子选择能力。

如何在 COMSOL Multiphysics® 中模拟鼓泡

2018年 8月 22日

鼓泡是气体与液体之间的一种质量传递过程,常见于各种工业应用(比如饮料碳酸化作用和光生物反应器),乃至在家中给鱼缸充气,都属于这种现象。在本篇博客文章中,我们将详细介绍如何使用 COMSOL Multiphysics® 软件对碳酸化作用这种鼓泡现象进行建模。

基于仿真对碳素制造中的热过程进行优化

2018年 7月 5日

我们博客的特约作者 Bojan Jokanović 来自全球领先的碳基产品制造商——西格里碳素有限公司,他将讨论碳素工业中热过程的优化。 碳素制品的应用领域很广,包括半导体、汽车制造、陶瓷和冶金等行业。石墨具有高温稳定性、良好的导热和导电性以及较好的化学稳定性,这些特性使石墨成为了独一无二的材料。然而,碳素制造业是一个能源密集型产业。我们必须建立数字过程链,以此来优化过程并降低成本。


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