COMSOL 電池模塊

電池模塊

理解、設(shè)計(jì)和優(yōu)化電池系統(tǒng)

“電池模塊”是 COMSOL Multiphysics? 軟件的一個(gè)附加產(chǎn)品，針對(duì)不同類型的電池仿真需求，提供了從多孔電極的微觀結(jié)構(gòu)到電池組熱管理的、覆蓋不同尺度的全面解決方案。

電池仿真涉及帶電和電中性物質(zhì)的傳遞、電荷平衡、化學(xué)和電化學(xué)反應(yīng)、焦耳熱和電化學(xué)反應(yīng)引起的熱效應(yīng)、傳熱、流體流動(dòng)等多種物理現(xiàn)象。

鋰離子電池

“電池模塊”提供了行業(yè)領(lǐng)先的鋰離子電池模型，包含了描述電池老化和運(yùn)行機(jī)理（如 Newman 模型）的不同原理模型，并支持一維、二維和全三維建模。除了分析電化學(xué)過(guò)程以外，用戶還可以結(jié)合傳熱仿真來(lái)研究電池的熱管理相關(guān)問(wèn)題，以及由嵌鋰膨脹和收縮引起的結(jié)構(gòu)應(yīng)力和應(yīng)變。不僅如此，“電池模塊”還具備建立異構(gòu)模型的功能，能夠真實(shí)描述孔隙電解質(zhì)和電極顆粒的形狀，通過(guò)深入研究電池的微觀結(jié)構(gòu)，更深入地理解電池的性能表現(xiàn)。

鉛酸電池

“電池模塊”為鉛酸電池仿真提供了全面的分析功能，分析變量包括電解質(zhì)的離子勢(shì)和組成，以及固體電極中的電位和孔隙率等。電池機(jī)理中考慮了固體的溶解和沉積等復(fù)雜過(guò)程，并內(nèi)置了豐富的特性，可幫助用戶深入研究各種設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)電池性能的影響，如電極和隔膜的厚度和幾何形狀，集流體和氣體通道的幾何形狀等。

其他電池

“電池模塊”的核心是具有正極、負(fù)極和隔膜的詳細(xì)電池單元模型。通過(guò)使用多孔電極的一般描述，用戶可以在電極中定義任意數(shù)量的競(jìng)爭(zhēng)反應(yīng)，并將其與任意組分的電解質(zhì)進(jìn)行耦合。本模塊支持通過(guò)濃溶液或稀溶液（Nernst-Planck 方程）方程來(lái)描述各種組分的孔隙電解質(zhì)和隔膜中的電解質(zhì)的質(zhì)量傳遞，并能結(jié)合多孔電極理論來(lái)描述支持電解質(zhì)的傳質(zhì)。

電池模塊支持的建模對(duì)象

使用 COMSOL? 軟件對(duì)電池進(jìn)行電化學(xué)分析。

異構(gòu)和同構(gòu)模型

對(duì)具有代表性的單電池的多孔電極和孔隙電解質(zhì)的詳細(xì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模。

隔膜和導(dǎo)電多孔黏合劑中的鋰離子通量，以及 NMC 顆粒中的固態(tài)鋰濃度。

固體電解質(zhì)界面的生長(zhǎng)（SEI）

對(duì)鋰離子電池石墨負(fù)極的老化進(jìn)行建模。

1C 時(shí)負(fù)極-集流體（藍(lán)色）和負(fù)極-隔膜（綠色）的 SEI 層電位降。

擴(kuò)散誘導(dǎo)應(yīng)力

計(jì)算膨脹和收縮引起的插層應(yīng)力和應(yīng)變。

鋰離子電池放電和弛豫過(guò)程中，負(fù)極基質(zhì)材料電極顆粒的擴(kuò)散誘導(dǎo)應(yīng)力。

短路

研究電池的內(nèi)部短路情況。

鋰離子電池發(fā)生內(nèi)部短路時(shí)，其橫截面的溫度。

額外維度

對(duì)電極顆粒中的嵌鋰進(jìn)行建模。

4C 放電期間，電池組的溫度分布。

雙電層電容

對(duì)電化學(xué)電容器和納米電極進(jìn)行建模。

濃度分布曲線圖，顯示了在帶正電的電極表面附近的擴(kuò)散雙電層中，陰離子過(guò)量和陽(yáng)離子耗盡的情況。

鎳氫電池和鎳鎘電池

模擬含堿性二元（1:1）電解質(zhì)的電池。

t = 1500 s 時(shí)，圓柱形鋰離子電池周圍的流場(chǎng)。

液流電池

模擬鉛酸電池和釩液流電池在充放電負(fù)載循環(huán)中的表現(xiàn)。

放電循環(huán)結(jié)束時(shí)電解質(zhì)中的鉛離子濃度。

金屬沉積

指定電極主體容量，以避免在高速充電過(guò)程中出現(xiàn)鋰金屬沉積問(wèn)題。

不同電池溫度下，相對(duì)容量損失與荷電狀態(tài)（SOC）的關(guān)系圖。

孔隙率效應(yīng)

模擬受多孔介質(zhì)物質(zhì)傳遞影響的化學(xué)反應(yīng)。

鉛酸電池在不同時(shí)間（電池的放電狀態(tài)）下正極孔隙率的變化情況。

阻抗譜

使用基于物理場(chǎng)的高保真模型研究電池的諧波響應(yīng)。

使用完全基于物理場(chǎng)的（Newman）鋰離子電池模型對(duì)交流阻抗譜進(jìn)行參數(shù)估計(jì)。

帶參數(shù)估計(jì)的集總模型

根據(jù)一小組集總參數(shù)來(lái)定義簡(jiǎn)化的電池模型，將高保真模型的結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行擬合。1

基于一小組集總參數(shù)的電池模型的實(shí)驗(yàn)電池電壓和模擬電池電壓與時(shí)間的關(guān)系圖。

熱失控

使用基于事件的熱源模擬電池組中的熱失控傳播。

電池組中的溫度，其中 10 個(gè)電池單元已進(jìn)入熱失控狀態(tài)。

備注：

1. 某些參數(shù)估計(jì)功能可能需要優(yōu)化模塊。

電池模塊的主要功能

“電池模塊”提供專用工具來(lái)分析電池在不同工作條件下的性能。

電池組建模

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)電池組進(jìn)行快速而準(zhǔn)確的三維熱分析，軟件提供了經(jīng)過(guò)驗(yàn)證的集總（簡(jiǎn)化）模型，可用于對(duì)電池組中的每個(gè)電池進(jìn)行建模。此類模型一旦經(jīng)過(guò)驗(yàn)證，便可以在特定的工作范圍內(nèi)提供高度精確的結(jié)果。本模塊包含基于物理場(chǎng)的集總模型，能夠求解多個(gè)空間維度的電化學(xué)方程。

單顆粒電池 接口使用單獨(dú)的單顆粒模型分別表征電池的正極和負(fù)極，對(duì)電池中的電荷分布進(jìn)行建模。集總電池 接口使用一小組集總參數(shù)，將電池內(nèi)所有電壓損失的總和添加到模型中，這些電壓損失源于歐姆電阻和（可選的）電荷轉(zhuǎn)移與擴(kuò)散過(guò)程。為了建立多個(gè)集總電池模型并將其連接到三維幾何，電池組 接口支持對(duì)電池組的熱管理進(jìn)行建模，并通常與傳熱 接口耦合使用，其中內(nèi)建獨(dú)特的熱事件特征，可用于研究熱失控傳播問(wèn)題。 不僅如此，您還可以使用電池等效電路 接口根據(jù)任意數(shù)量的電路元件來(lái)定義電池模型。

結(jié)合三維傳熱分析簡(jiǎn)化的基于物理場(chǎng)的鋰離子電池的電化學(xué)模型。電池組中的每個(gè)單電池都有一個(gè)簡(jiǎn)化的溫度相關(guān)電化學(xué)模型。

高保真電池建模

鋰離子電池 接口可用于計(jì)算鋰離子電池的電位和電流分布，支持使用多種插層電極材料，還包含由 SEI 層引起的電壓損失。

二元電解質(zhì)電池 接口可用于計(jì)算各類普通電池的電位和電流分布，支持使用多種插層電極材料，并能準(zhǔn)確考慮在多孔電極上形成膜而引起的電壓損失。

用于計(jì)算二維鋰離子螺旋電池的電位和電流分布的鋰離子電池 接口。該接口支持使用多種插層電極材料，還包含 SEI 層引起的電壓損失。

支持任意數(shù)量電化學(xué)反應(yīng)的多孔電極

電池系統(tǒng)和化學(xué)物質(zhì)經(jīng)常在電極上引發(fā)一些不必要的副反應(yīng)，而這些副反應(yīng)會(huì)對(duì)充放電循環(huán)和自放電過(guò)程產(chǎn)生不良影響?！半姵啬K”可用來(lái)深入研究此類問(wèn)題。

用戶可以分析各種典型的副反應(yīng)，包括析氫、析氧、固體電解質(zhì)界面的生長(zhǎng)、金屬電鍍、金屬腐蝕和石墨氧化等現(xiàn)象。

鉛酸電池的正極可能會(huì)發(fā)生析氧副反應(yīng)，該反應(yīng)會(huì)添加到用戶界面。該繪圖顯示在 20C 放電期間，電解質(zhì)鹽濃度（孔隙電解質(zhì)和隔膜）隨時(shí)間的變化情況。

孔隙結(jié)構(gòu)中的插層物質(zhì)和傳遞

在電池的多孔電極中，顆粒既可以是固體（如鋰離子電極），也可以是多孔結(jié)構(gòu)（如鉛酸和鎳鎘）。當(dāng)顆粒為固體時(shí)，電極中的填充顆粒之間存在孔隙。然而，對(duì)于氫和鋰這樣的小原子來(lái)說(shuō)，它們可能會(huì)在固體顆粒中進(jìn)行傳遞和反應(yīng)。這些插層物質(zhì)通過(guò)沿著固體顆粒半徑定義的單獨(dú)擴(kuò)散-反應(yīng)方程進(jìn)行建模，其通量與顆粒之間的孔隙電解質(zhì)中傳遞的物質(zhì)在顆粒表面進(jìn)行耦合。軟件不僅為鋰離子電池提供了預(yù)定義的插層物質(zhì)和反應(yīng)，同樣的功能也可用于模擬鎳氫等電池中的氫插層。

對(duì)于多孔顆粒的情況，可以得到雙峰孔隙結(jié)構(gòu)：填充顆粒之間形成的大孔結(jié)構(gòu)和顆粒內(nèi)部的微孔結(jié)構(gòu)。多孔顆粒的反應(yīng)-擴(kuò)散方程的定義方式與固體顆粒中物質(zhì)的插入方式類似。

正極中 NCA 和 LMO 兩種插層材料的不同體積混合分?jǐn)?shù)在 1C 放電期間的電壓分布。

全瞬態(tài)和阻抗譜研究

電池系統(tǒng)通常是封閉系統(tǒng)，其工作過(guò)程的研究一直面臨巨大的挑戰(zhàn)。為了更好地了解電池的運(yùn)行特性，我們提供了多種瞬態(tài)方法，包括電位階躍、電流中斷和阻抗譜等，用于深入探索電池的工作機(jī)制。

通過(guò)執(zhí)行瞬態(tài)研究，可以在不同的時(shí)間尺度和頻率下進(jìn)行參數(shù)估計(jì)，分析并識(shí)別可能導(dǎo)致電池老化的損耗，例如歐姆、動(dòng)力學(xué)、傳輸以及其他損耗。結(jié)合瞬態(tài)分析、仿真模擬和參數(shù)估計(jì)，可以對(duì)電池系統(tǒng)的健康狀況做出高度精準(zhǔn)的評(píng)估。

電化學(xué)阻抗譜（EIS）示例，其中頻域擾動(dòng) 研究求解給定初始值附近的擾動(dòng)。這個(gè)默認(rèn)創(chuàng)建的繪圖顯示阻抗的實(shí)部和虛部。

內(nèi)置熱力學(xué)和材料屬性

“電池模塊”附帶了一個(gè)電池材料數(shù)據(jù)庫(kù)，其中包含大量通用電極和電解質(zhì)材料，有助于大幅減少新建電池模型所需的工作量。

在電池系統(tǒng)建模過(guò)程中，收集輸入數(shù)據(jù)并正確使用這些數(shù)據(jù)是一個(gè)耗時(shí)且容易出錯(cuò)的步驟。例如，在同一參考系中定義正極和負(fù)極非常重要。在將平衡電極（半電池）電位納入同一電池系統(tǒng)模型之前，必須對(duì)相同的參比電極、電解質(zhì)和溫度進(jìn)行測(cè)量或校準(zhǔn)，確保模型的準(zhǔn)確性和可靠性。

電解質(zhì)和電子導(dǎo)體的電導(dǎo)率都可以從許多化學(xué)物質(zhì)的內(nèi)置數(shù)據(jù)庫(kù)中獲得。