Семейство продуктов COMSOL®

Анализируйте, разрабатывайте и оптимизируйте электрохимические аккумуляторы

Инструменты моделирования кинетики электрохимических реакций, переноса ионов, сохранения заряда, массопереноса, гидродинамики и теплопередачи в 1D, 2D и 3D

В зависимости от постановки задачи моделирование электрохимических батарей подразумевает анализ процессов с разным уровнем детализации. Модуль Электрохимические аккумуляторы, расширяющий возможности среды численного моделирования COMSOL Multiphysics®, содержит инструменты, с помощью которых можно строить расчетные модели в широком диапазоне масштабов, начиная с подробной структуры пористых электродов и заканчивая аккумуляторными батареями вместе с системами терморегуляции.

Модели учитывают такие физические явления как перенос заряженных и нейтральных компонентов, сохранение заряда, химические и электрохимические реакции, джоулев нагрев и тепловой эффект электрохимических реакций, теплообмен и гидродинамику, а также другие физические процессы, важные для анализа работы электрохимических аккумуляторов. Для хорошо изученных и верифицированных систем реализованы модели с сосредоточенными параметрами, которые строятся либо на основе физических моделей, либо на основе эквивалентных цепей.

Обращаем ваше внимание, что с выходом COMSOL Multiphysics® версии 5.6 название модуля изменено со старого Аккумуляторы и топливные элементы на новое Электрохимические аккумуляторы, при этом все функциональные возможности сохранены. Для пользователей, моделирующих топливные элементы и электролизеры, теперь доступен новый модуль Топливные элементы и электролизеры.

Область применения модуля Электрохимические аккумуляторы

Литий-ионные аккумуляторы

Литий-ионные аккумуляторы стали самым распространенным видом источников тока для портативной техники благодаря большой мощности и высокой плотности энергии. В модуле Электрохимические аккумуляторы представлены высококлассные модели литий-ионных аккумуляторов. В модуле представлена известная модель Ньюмана с учетом новейших данных, опубликованных в научной литературе. Например, встроены различные механизмы старения аккумулятора, такие как увеличение поверхности "твердая фаза-электролит", образование металлической пленки, короткие замыкания и деградация электролита. Эти высокоточные модели применимы для решения одномерных, двумерных и трехмерных задач с использованием дополнительной пространственной размерности для моделирования интеркаляции лития в частицах электродного материала.

Помимо электрохимических реакций можно моделировать сопряженный теплообмен, добавив решение уравнений сохранения энергии. При совместном использовании с модулем Механика конструкций можно также рассчитать механические напряжения и деформации, вызванные расширением и сжатием при интеркаляции лития.

Следуя новейшим трендам в области моделирования аккумуляторов, модуль позволяет строить гетерогенные модели для репрезентативной ячейки аккумулятора, при этом процессы в пористых электродах и заполняющем поры электролите анализируются на микромасштабе. Такие модели позволяют глубже исследовать и понять влияние микроструктуры на рабочие характеристики аккумулятора.

Свинцово-кислотные аккумуляторы

В состав модуля Электрохимические аккумуляторы включена одна из самых современных и развитых электрохимических моделей для анализа свинцовых батарей. Модель содержит переменные для ионного потенциала электролита (как сепаратора, так и пористого электролита), электрического потенциала твердых электродов (а также коллекторов тока и фидеров), состава электролита и пористости электродов. Кроме того, в состав модуля входит справочная база данных по термодинамическим и кинетическим свойствам для свинцовых батарей.

Обычно инструменты модуля используются для анализа влияния параметров конструкции на эффективность работы батареи. Важно понимать, как на характеристики батареи влияют толщина и форма электродов, форма коллекторов тока и фидеров, пористость электродов, геометрическая форма и химический состав сепаратора и множество других факторов.

Инструменты модуля позволяют проводить, среди прочих, нестационарные исследования с учетом эффектов двойного электрического слоя, а также спектроскопию импеданса в частотной области.

Универсальные модели аккумуляторов

Основным рабочим инструментом модуля Электрохимические аккумуляторы является подробная модель электрохимической ячейки, состоящей из положительного и отрицательного электродов и сепаратора.

В электродах пористый электролит находится в контакте с электролитом сепаратора. Используется гомогенная модель пористой структуры электродов, то есть считается, что материал пористого электролита и твердого электрода занимают весь объем пространства, а соответствующие свойства фаз описываются через объемные доли фаз. Уравнения переноса, а также химических и электрохимических реакций записываются в рамках так называемой теории пористых электродов, изложенной Ньюманом в книге Electrochemical Systems.

Используя обобщенное описание пористых электродов, можно проанализировать любое число параллельных реакций на электроде в связке с электролитом произвольного химического состава. В качестве примера в состав библиотеки приложений модуля включена учебная модель ванадиевой батареи.

В зависимости от состава, пористый электролит и электролит в сепараторе могут быть описаны с помощью теории концентрированных растворов электролитов, разбавленных электролитов (уравнения Нернста-Планка) и фоновых электролитов.

В модуль встроена специализированная версия модели батарей с бинарными электролитами. С ее помощью можно моделировать никель-металлогидридные и никель-кадмиевые батареи, а также интеркаляцию веществ, например, водорода, в твердую фазу.

Окно настройки узла Porous Electrode и графическое окно, в котором для визуализации результатов используется цветовая схема Cividis. Распределение плотности тока и эффективность использования электрода в большой литий-ионной батарее. Модель является полной трехмерной моделью Ньюмана, в которой дополнительная пространственная размерность в каждой точке электродов соответствует радиусу электродных частиц.
Модель свинцовой батареи; показаны объемные графики для плотности тока в электродах (оттенки фиолетового) и потенциала в электролите (оттенки темно-синего). Распределения плотности тока и электрического потенциала в сеточном электроде свинцовой батареи.
Окно настройки интерфейса Tertiary Current Distribution, Nernst-Planck и график распределения концентрации в ванадиевой проточной батарее.

В двумерной учебной модели ванадиевой проточной батареи показано, как настроить связку интерфейсов для расчета плотности тока в ионно-обменной мембране и в двух различных электролитических секциях проточной батареи. В модели учитывается наличие ионов семи различных типов.

Функциональные возможности модуля Электрохимические аккумуляторы

Произвольное число электрохимических реакций на пористых электродах

В аккумуляторных батареях очень часто протекают нежелательные побочные реакции, влияние которых на циклы заряда-разряда, а также на саморазряд батареи можно проанализировать. Для встроенных реакций в модуле представлены справочные данные, однако пользователь может описать и учесть любые побочные реакции на электроде.

Обычно такими побочными реакциями, которые можно смоделировать, являются выделение водорода, кислорода, увеличение межфазной поверхности твердого электролита, гальванизация, коррозия металла и окисление графита.

Интеркалирующие компоненты и перенос массы в структурах с бимодальным распределением пор

Частицы в пористых электродах аккумуляторной батареи могут быть либо твердыми (электроды литий-ионных батарей), либо пористыми (свинцовые, никель-кадмиевые батареи).

В случае твердых частиц пористость электродов определяется пространством между частицами. Однако процессы переноса и реакции с участием мелких атомов, таких как атомы водорода и лития, могут осуществляться внутри твердых частиц. Интеркаляционные процессы моделируются с помощью отдельного одномерного уравнения диффузии (и реакции), которое решается на пространстве радиуса твердых частиц. Поток интеркаляционных гентов на поверхности частиц связывается с потоком компонентов, движущихся в поровом пространстве между частицами. Для литий-ионных батарей имеются встроенные описания интеркаляционные агентов и реакций, но пользователь может воспользоваться этим же функционалом для моделирования интеркаляции водорода и в других типах батарей, например, в никель-металлогидридных.

В случае пористых частиц пористая структура имеет бимодальное распределение пор по размерам: макроскопическая структура, сформированная частицами, и микроскопическая структура внутри твердых частиц. Уравнения диффузии и реакций в пористых частицах решаются аналогичным способом, как и в случае интеркаляции в твердых частицах. Пример использования такого похода показан в учебной модели никель-кадмиевого аккумулятора, включенной в состав библиотеки приложений модуля.

Нестационарные исследования и спектроскопия электрохимического импеданса

Часто аккумуляторные батареи представляют собой закрытые системы, работу которых сложно контролировать во время эксплуатации. Эксплуатационные характеристики батареи можно оценить на основе анализа переходных процессов, таких как пошаговое изменение потенциала, прерывание тока и спектроскопия импеданса.

В основе нестационарного анализа лежит принцип разделения процессов по временным масштабам. Например, характерные временные масштабы кинетики реакций обычно заметно отличаются от временных масштабов диффузии компонентов, поэтому влияние этих процессов на импеданс системы проявится на разных частотах и временных масштабах.

С помощью нестационарных исследований можно выполнять оценку параметров на разных масштабах времени и разных частотах, чтобы разделить омические, кинетические, диффузионные и другие типы потерь, приводящих к старению батареи. Применение нестационарных методов моделирования и оценки параметров позволяет очень точно оценивать состояние аккумуляторной батареи.

Упрощенные модели аккумуляторов и модели с сосредоточенными параметрами

Тепловой анализ батарейных блоков на основе полноценных трехмерных моделей электрохимических процессов может потребовать очень много времени. Альтернативным вариантом моделирования является использование проверенных упрощенных моделей с сосредоточенными параметрами для каждой батареи в блоке. Верифицированные модели с сосредоточенными параметрами могут работать с высокой точностью, особенно в определенном (возможно, ограниченном) диапазоне параметров.

В состав модуля Электрохимические аккумуляторы входят сосредоточенные физические модели, в рамках которых решаются электрохимические уравнения в одномерной (плюс дополнительная псевдоразмерность), нульмерной (плюс дополнительная псевдоразмерность) и чисто нульмерной постановках, например, модели эквивалентных цепей.

Можно создавать многокомпонентные модели, в которых будет задействован весь спектр доступных инструментов, начиная от детальных трехмерных моделей и заканчивая нульмерными моделями с сосредоточенными параметрами. Такие системы описываются с помощью отдельных компонентов в многокомпонентном файле модели. Таким образом, довольно просто переключаться между сосредоточенными и подробными распределенными моделями в случае, когда сосредоточенные модели требуют обновления и верификации для использования в расширенном диапазоне параметров.

Встроенный справочник термодинамических и физических свойств

Получение исходных данных и их корректное применение, пожалуй, один из самых трудоемких этапов моделирования аккумуляторных батарей, на котором очень легко допустить ошибку. К примеру, очень важно, чтобы параметры положительного и отрицательного электродов были определены в единой системе отсчета. Равновесные потенциалы электродов должны измеряться при одинаковых температурах с использованием одинаковых электродов сравнения и электролитов, только тогда эти данные можно использовать в модели соответствующей аккумуляторной батареи.

Справочник свойств материалов, включенный в состав модуля, содержит данные для некоторого количества широко применяемых материалов электродов и электролитов, что существенно сокращает объем работы и упрощает построение новых моделей аккумуляторных батарей.

The COMSOL Multiphysics UI showing the Porous Electrode Reaction settings and a 1D plot of electrolyte concentration for a lead-acid battery. The positive electrode in a lead–acid battery may suffer from the oxygen evolution by-reaction, which is added in the user interface. The plot shows the electrolyte salt concentration (both pore electrolytes and separator) as a function of time during discharge at 20C.
The COMSOL Multiphysics UI showing the Porous Electrode Reaction settings and a 1D plot of the electric potential in a nickel-cadmium battery. Model of a NiCd battery with detailed electrochemistry and transport of hydrogen ions in the porous microstructure.
The COMSOL Multiphysics UI showing the Particle Intercalation settings and a 1D Nyquist plot of simulated and experimental impedance vs. reference for a lithium-ion battery Parameter estimation of AC impedance spectroscopy with a full physics-based (Newman) model for the lithium-ion battery. The Battery Design Module includes impedance spectroscopy as a predefined study.
The COMSOL Multiphysics UI showing the Voltage Losses settings and a battery pack model in the Graphics window with the temperature visualized using the heat camera color table. Simplified physics-based electrochemical model for a lithium-ion battery combined with a 3D heat transfer analysis. Each battery unit cell in the back gets a simplified temperature-dependent electrochemistry model.
The COMSOL Multiphysics UI showing the Porous Electrode Reaction settings, a battery pack model in the Graphics window, and a list of materials that can be added to the right. The functions for the electrode potential as a function of state of charge (SOC) for different electrodes, and the conductivities for electrolytes as well for electronic conductors can all be obtained from the built-in database for a number of chemistries.

Каждая компания имеет уникальные требования к моделированию. Чтобы точно определить, подойдет ли программный пакет COMSOL Multiphysics® для решения ваших задач, свяжитесь с нами. Обсудив это с одним из наших торговых представителей или менеджером по продажам, вы получите личные рекомендации и подробные примеры, которые помогут вам сделать верный выбор и подобрать подходящую конфигурацию продуктов и тип лицензии.

Просто нажмите кнопку "Связаться с представителем COMSOL", укажите свою контактную информацию, замечания или вопросы и отправьте нам. В течение одного рабочего дня с вами свяжется наш торговый представитель или менеджер.

Следующий шаг:
Договоритесь о демонстрации
программного пакета