Электрохимические аккумуляторы

Анализируйте, разрабатывайте и оптимизируйте аккумуляторные системы

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 расчётные 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.

Связаться с COMSOL
Модель батарейного блока, состоящего из 200 батарей, визуализированная с помощью цветовой палитры Heat Camera.

Литий-ионные аккумуляторы

В модуле «Электрохимические аккумуляторы» представлены высококлассные модели литий-ионных аккумуляторов. Здесь вы найдёте различные модели старения и высокоточные 1D, 2D и 3D-модели, в том числе модель Ньюмана. Можно анализировать не только сами электрохимические реакции, но и сопряжённые с ними процессы теплообмена, а также механические напряжения и деформации, обусловленные расширением и сжатием при интеркаляции лития. Инструменты модуля позволяют строить гетерогенные модели, описывающие реальную форму пор электролита и частиц электродов. Такие модели позволяют глубже исследовать влияние микроструктуры на рабочие характеристики аккумулятора.

Свинцово-кислотные аккумуляторы

Для моделирования процессов в свинцово-килотных аккумуляторах в состав модуля включены уравнения для расчёта ионного потенциала и состава электролита, а также электрического потенциала и пористости твёрдых электродов. Уравнения позволяют учесть растворение и осаждение твёрдой фазы. С помощью встроенных функций можно проанализировать, как на эффективность работы батареи влияют различные параметры её конструкции, например толщина и форма электродов и сепараторов, геометрическая форма коллекторов тока и фидеров и другие факторы.

Универсальные модели

Основным рабочим инструментом модуля «Электрохимические аккумуляторы» является подробная модель электрохимической ячейки, состоящей из положительного и отрицательного электродов и сепаратора. Используя обобщённое описание пористых электродов, можно проанализировать любое число параллельных реакций на электроде в связке с электролитом произвольного химического состава. Электролит в пористом электроде и электролит в сепараторе можно описать, в зависимости от состава, с помощью комбинации моделей пористых электродов и концентрированных растворов электролитов, разбавленных электролитов (уравнения Нернста-Планка) или фоновых электролитов.

Область применения модуля «Электрохимические аккумуляторы»

Различные варианты анализа электрохимических аккумуляторов в COMSOL®.

Трёхмерная модель, отображающая линии тока с использованием сине-белого цветового градиента.

Гетерогенные и гомогенные модели

Моделирование структуры пористых электродов и пористых электролитов репрезентативной ячейки аккумулятора.

Одномерный график изменения потенциала в слое на границе с электролитом при токе разряда 1С в зависимости от числа циклов.

Деградация границы твёрдого электролита

Моделирование старения отрицательного графитового электрода литий-ионной батареи.

Одномерный график напряжений, обусловленных диффузией, в зависимости от приведенного размера частицы.

Диффузионные напряжения

Расчёт напряжений и деформаций, обусловленных расширением и сжатием при интеркаляции.1

Увеличенное изображение модели с цилиндром жёлтого цвета и поле, построенное с использованием цветовой палитры Heat Camera.

Короткое замыкание

Анализ причин короткого замыкания внутри батареи.

Модель аккумуляторной батареи, состоящей из 12 цилиндрических элементов. Распределение температуры показано с использованием цветовой палитры Rainbow.

Подсеточное моделирование

Дополнительная пространственная размерность для моделирования интеркаляции лития в частицах электродного материала.

Одномерный график зависимости емкостного сопротивления.

Ёмкость двойного электрического слоя

Моделирование электрохимических конденсаторов и наноэлектродов.

Модель цилиндрического аккумулятора, показанная с использованием медного и чёрного цветов, и линии тока, построенные с использованием цветовой палитры Heat Camera.

NiMH и NiCd батареи

Моделирование батарей с щелочными бинарными (1:1) электролитами.

Поток свинца показан с использованием цветовой палитры Rainbow.

Проточные батареи

Моделирование циклов заряд-разряд свинцово-кислотных и ванадиевых проточных батарей.

График показывает снижение относительной ёмкости.

Гальванизация

Оценка условий, препятствующих литиевой гальванизации при быстром заряде батареи.

Одномерный график зависимости пористости от безразмерной толщины положительного электрода.

Учёт влияния пористости

Моделирование химических реакций с учётом переноса реагентов в пористой среде

Одномерный график, отображающий рассчитанный (синий цвет) и экспериментальный (зелёный цвет) импеданс NCA.

Спектроскопия импеданса

Анализ гармонического отклика батареи на основе высокоточных физических моделей.

Одномерный график зависимости потенциала ячейки от времени; синим цветом показаны результаты расчёта, зелёным — экспериментальные данные.

Сосредоточенные модели и оценка параметров

Упрощённое моделирование на основе небольшого числа сосредоточенных параметров, результаты которого отвечают высокоточным моделям или экспериментальным данным.2

  1. Требуется модуль «Механика конструкций»
  2. Требуется модуль «Оптимизация»

Функциональные возможности модуля «Электрохимические аккумуляторы»

Специальные инструменты моделирования процессов в электрохимических аккумуляторах при различных условиях эксплуатации.

Графическая оболочка среды COMSOL Multiphysics, в которой отображается дерево модели и выделенный в нём узел Voltage Losses, а также соответствующее окно настройки и графическое окно, где построено распределение температуры в модели аккумуляторной батареи с использованием цветовой палитры Heat Camera.

Упрощённые модели аккумуляторов

Для быстрых оценочных расчётов тепловых режимов аккумуляторов можно воспользоваться проверенными (упрощёнными) сосредоточенными моделями для каждой батареи в блоке. Верифицированные модели с сосредоточенными параметрами могут работать с высокой точностью, особенно в определённом диапазоне параметров. В состав модуля «Электрохимические аккумуляторы» входят сосредоточенные физические модели, в рамках которых решаются электрохимические уравнения различной пространственной размерности.

Одночастичная модель, реализованная в интерфейсе Single Particle Battery, позволяет рассчитать распределение плотности тока и в положительном, и в отрицательном электродах батареи. В модели, представленной интерфейсом Lumped Battery, используется небольшой набор сосредоточенных параметров для учёта различных механизмов потерь в батарее, начиная от омического сопротивления и заканчивая конечной скоростью переноса заряда и диффузии. Также модель батареи можно построить с помощью произвольного числа элементов эквивалентной электрической цепи, доступных в интерфейсе Battery Equivalent Circuit.

Графическая оболочка среды COMSOL Multiphysics, в которой отображается дерево модели и выделенный в нём узел Porous Electrode Reaction, а также соответствующее окно настройки и графическое окно, где построен график концентрации электролита.

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. Обычно к таким побочным реакциям относят выделение водорода и кислорода, увеличение межфазной поверхности твёрдого электролита, гальванизацию, коррозию металла и окисление графита.

Графическая оболочка среды COMSOL Multiphysics, в которой отображается дерево модели и выделенный в нём узел Frequency Domain Perturbation, а также соответствующее окно настройки и графическое окно, где построен график импеданса.

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.

С помощью нестационарных исследований можно проводить оценки параметров на разных масштабах времени и на 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.

Графическая оболочка среды COMSOL Multiphysics, в которой отображается дерево модели и выделенный в нём узел Lithium-Ion Battery, а также соответствующее окно настройки и графическое окно, где построена круглая модель голубого цвета с красным, оранжевым, жёлтым и зеленовато-голубым пиками.

Высокоточные модели аккумуляторов

Интерфейс Lithium-Ion Battery предназначен для расчёта распределения электрического потенциала и плотности тока в литий-ионных батареях. В модели можно использовать различные интеркалирующие материалы электродов, а также учесть потери напряжения вследствие образования слоёв на границе «твёрдая фаза — электролит».

Интерфейс Battery with Binary Electrolyte предназначен для расчёта распределения электрического потенциала и плотности тока в универсальной модели батареи. Можно использовать различные интеркалирующие материалы электродов, а также учесть потери напряжения вследствие образования плёнки на поверхности пористых электродов.

Графическая оболочка среды COMSOL Multiphysics, в которой отображается дерево модели и выделенный в нём узел Particle Intercalation, а также соответствующее окно настройки и графическое окно, где построен график напряжения для различных значений доли NCA и LMO.

Интеркалирующие компоненты и процессы переноса в пористых средах

Частицы в пористых электродах аккумуляторной батареи могут быть либо твёрдыми (электроды литий-ионных батарей), либо пористыми (свинцовые, никель-кадмиевые батареи). В случае твёрдых 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 твёрдых частиц. Интеркаляционные процессы моделируются с помощью отдельного одномерного уравнения диффузии (и реакции), которое решается вдоль радиуса твёрдых частиц. Поток интеркаляционных агентов на поверхности частиц связывается с потоком компонентов, движущихся в поровом пространстве между частицами. Для литий-ионных батарей имеются встроенные описания интеркаляционных агентов и реакций, но пользователь может воспользоваться этим же функционалом для моделирования интеркаляции водорода и в других типах батарей, например никель-металлогидридных.

В случае пористых частиц пористая структура имеет бимодальное распределение пор по размерам: макроскопическая структура, сформированная частицами, и микроскопическая структура внутри твёрдых частиц. Уравнения диффузии и реакций в пористых частицах решаются аналогичным способом, как и в случае интеркаляции в твёрдых частицах.

Графическая оболочка среды COMSOL Multiphysics, в которой отображается дерево модели и выделенный в нём узел Lithium-Ion Battery, а также соответствующее окно настройки и графическое окно, где построено распределение температуры в модели аккумуляторной батареи с использованием цветовой палитры Heat Camera.

Встроенный справочник термодинамических и физических свойств

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

Получение исходных данных и их корректное применение, пожалуй, один из самых трудоёмких 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 отсчёта. 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.

Каждая компания имеет уникальные требования к моделированию.

Свяжитесь с нами, чтобы точно определить, подойдет ли программный пакет COMSOL Multiphysics® для решения ваших инженерных или научных задач. Обсудив основные аспекты с одним из наших менеджеров, 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 COMSOL", укажите свои контактные данные, сформулируйте вопросы и отправьте нам эту заявку. Наша цель — ответить вам в течение одного рабочего дня!

Следующий шаг

Запрос информации о программе

Все продукты