COMSOL 电池模块

电池模块

理解、设计和优化电池系统

“电池模块”是 COMSOL Multiphysics® 软件的一个附加产品，针对不同类型的电池仿真需求，提供了从多孔电极的微观结构到电池组热管理的、覆盖不同尺度的全面解决方案。

电池仿真涉及带电和电中性物质的传递、电荷平衡、化学和电化学反应、焦耳热和电化学反应引起的热效应、传热、流体流动等多种物理现象。

锂离子电池

“电池模块”提供了行业领先的锂离子电池模型，包含了描述电池老化和运行机理（如 Newman 模型）的不同原理模型，并支持一维、二维和全三维建模。除了分析电化学过程以外，用户还可以结合传热仿真来研究电池的热管理相关问题，以及由嵌锂膨胀和收缩引起的结构应力和应变。不仅如此，“电池模块”还具备建立异构模型的功能，能够真实描述孔隙电解质和电极颗粒的形状，通过深入研究电池的微观结构，更深入地理解电池的性能表现。

铅酸电池

“电池模块”为铅酸电池仿真提供了全面的分析功能，分析变量包括电解质的离子势和组成，以及固体电极中的电位和孔隙率等。电池机理中考虑了固体的溶解和沉积等复杂过程，并内置了丰富的特性，可帮助用户深入研究各种设计参数对电池性能的影响，如电极和隔膜的厚度和几何形状，集流体和气体通道的几何形状等。

其他电池

“电池模块”的核心是具有正极、负极和隔膜的详细电池单元模型。通过使用多孔电极的一般描述，用户可以在电极中定义任意数量的竞争反应，并将其与任意组分的电解质进行耦合。本模块支持通过浓溶液或稀溶液（Nernst-Planck 方程）方程来描述各种组分的孔隙电解质和隔膜中的电解质的质量传递，并能结合多孔电极理论来描述支持电解质的传质。

电池模块支持的建模对象

使用 COMSOL® 软件对电池进行电化学分析。

异构和同构模型

对具有代表性的单电池的多孔电极和孔隙电解质的详细结构进行建模。

隔膜和导电多孔黏合剂中的锂离子通量，以及 NMC 颗粒中的固态锂浓度。

固体电解质界面的生长（SEI）

对锂离子电池石墨负极的老化进行建模。

1C 时负极-集流体（蓝色）和负极-隔膜（绿色）的 SEI 层电位降。

扩散诱导应力

计算膨胀和收缩引起的插层应力和应变。

锂离子电池放电和弛豫过程中，负极基质材料电极颗粒的扩散诱导应力。

短路

研究电池的内部短路情况。

锂离子电池发生内部短路时，其横截面的温度。

额外维度

对电极颗粒中的嵌锂进行建模。

4C 放电期间，电池组的温度分布。

双电层电容

对电化学电容器和纳米电极进行建模。

浓度分布曲线图，显示了在带正电的电极表面附近的扩散双电层中，阴离子过量和阳离子耗尽的情况。

镍氢电池和镍镉电池

模拟含碱性二元（1:1）电解质的电池。

t = 1500 s 时，圆柱形锂离子电池周围的流场。

液流电池

模拟铅酸电池和钒液流电池在充放电负载循环中的表现。

放电循环结束时电解质中的铅离子浓度。

金属沉积

指定电极主体容量，以避免在高速充电过程中出现锂金属沉积问题。

不同电池温度下，相对容量损失与荷电状态（SOC）的关系图。

孔隙率效应

模拟受多孔介质物质传递影响的化学反应。

铅酸电池在不同时间（电池的放电状态）下正极孔隙率的变化情况。

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。

使用完全基于物理场的（Newman）锂离子电池模型对交流阻抗谱进行参数估计。

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。1

基于一小组集总参数的电池模型的实验电池电压和模拟电池电压与时间的关系图。

热失控

使用基于事件的热源模拟电池组中的热失控传播。

电池组中的温度，其中 10 个电池单元已进入热失控状态。

备注：

1. 某些参数估计功能可能需要优化模块。

电池模块的主要功能

“电池模块”提供专用工具来分析电池在不同工作条件下的性能。

电池组建模

为了实现对电池组进行快速而准确的三维热分析，软件提供了经过验证的集总（简化）模型，可用于对电池组中的每个电池进行建模。此类模型一旦经过验证，便可以在特定的工作范围内提供高度精确的结果。本模块包含基于物理场的集总模型，能够求解多个空间维度的电化学方程。

单颗粒电池 接口使用单独的单颗粒模型分别表征电池的正极和负极，对电池中的电荷分布进行建模。集总电池 接口使用一小组集总参数，将电池内所有电压损失的总和添加到模型中，这些电压损失源于欧姆电阻和（可选的）电荷转移与扩散过程。为了建立多个集总电池模型并将其连接到三维几何，电池组 接口支持对电池组的热管理进行建模，并通常与传热 接口耦合使用，其中内建独特的热事件特征，可用于研究热失控传播问题。 不仅如此，您还可以使用电池等效电路 接口根据任意数量的电路元件来定义电池模型。

结合三维传热分析简化的基于物理场的锂离子电池的电化学模型。电池组中的每个单电池都有一个简化的温度相关电化学模型。

高保真电池建模

锂离子电池 接口可用于计算锂离子电池的电位和电流分布，支持使用多种插层电极材料，还包含由 SEI 层引起的电压损失。

二元电解质电池 接口可用于计算各类普通电池的电位和电流分布，支持使用多种插层电极材料，并能准确考虑在多孔电极上形成膜而引起的电压损失。

用于计算二维锂离子螺旋电池的电位和电流分布的锂离子电池 接口。该接口支持使用多种插层电极材料，还包含 SEI 层引起的电压损失。

支持任意数量电化学反应的多孔电极

电池系统和化学物质经常在电极上引发一些不必要的副反应，而这些副反应会对充放电循环和自放电过程产生不良影响。“电池模块”可用来深入研究此类问题。

用户可以分析各种典型的副反应，包括析氢、析氧、固体电解质界面的生长、金属电镀、金属腐蚀和石墨氧化等现象。

铅酸电池的正极可能会发生析氧副反应，该反应会添加到用户界面。该绘图显示在 20C 放电期间，电解质盐浓度（孔隙电解质和隔膜）随时间的变化情况。

孔隙结构中的插层物质和传递

在电池的多孔电极中，颗粒既可以是固体（如锂离子电极），也可以是多孔结构（如铅酸和镍镉）。当颗粒为固体时，电极中的填充颗粒之间存在孔隙。然而，对于氢和锂这样的小原子来说，它们可能会在固体颗粒中进行传递和反应。这些插层物质通过沿着固体颗粒半径定义的单独扩散-反应方程进行建模，其通量与颗粒之间的孔隙电解质中传递的物质在颗粒表面进行耦合。软件不仅为锂离子电池提供了预定义的插层物质和反应，同样的功能也可用于模拟镍氢等电池中的氢插层。

对于多孔颗粒的情况，可以得到双峰孔隙结构：填充颗粒之间形成的大孔结构和颗粒内部的微孔结构。多孔颗粒的反应-扩散方程的定义方式与固体颗粒中物质的插入方式类似。

正极中 NCA 和 LMO 两种插层材料的不同体积混合分数在 1C 放电期间的电压分布。

全瞬态和阻抗谱研究

电池系统通常是封闭系统，其工作过程的研究一直面临巨大的挑战。为了更好地了解电池的运行特性，我们提供了多种瞬态方法，包括电位阶跃、电流中断和阻抗谱等，用于深入探索电池的工作机制。

通过执行瞬态研究，可以在不同的时间尺度和频率下进行参数估计，分析并识别可能导致电池老化的损耗，例如欧姆、动力学、传输以及其他损耗。结合瞬态分析、仿真模拟和参数估计，可以对电池系统的健康状况做出高度精准的评估。

电化学阻抗谱（EIS）示例，其中频域扰动 研究求解给定初始值附近的扰动。这个默认创建的绘图显示阻抗的实部和虚部。

内置热力学和材料属性

“电池模块”附带了一个电池材料数据库，其中包含大量通用电极和电解质材料，有助于大幅减少新建电池模型所需的工作量。

在电池系统建模过程中，收集输入数据并正确使用这些数据是一个耗时且容易出错的步骤。例如，在同一参考系中定义正极和负极非常重要。在将平衡电极（半电池）电位纳入同一电池系统模型之前，必须对相同的参比电极、电解质和温度进行测量或校准，确保模型的准确性和可靠性。

电解质和电子导体的电导率都可以从许多化学物质的内置数据库中获得。