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Comprendi, progetta e ottimizza sistemi di batterie

Software per modellare la cinetica degli elettrodi, il trasporto ionico, la conservazione della carica, il trasporto di massa, i campi di moto e il trasferimento di calore in 1D, 2D e 3D

La modellazione delle batterie richiede diversi livelli di dettaglio a seconda dello scopo delle simulazioni. Il Battery Design Module è un componente aggiuntivo del software COMSOL Multiphysics® che comprende descrizioni su un'ampia gamma di scale dimensionali, dalle strutture dettagliate dell'elettrodo poroso della batteria alla scala del pacco batteria, inclusi i sistemi di gestione termica.

Le descrizioni riguardano fenomeni fisici come il trasporto di specie cariche e neutre, bilanci di carica, reazioni chimiche ed elettrochimiche, riscaldamento Joule ed effetti termici dovuti a reazioni elettrochimiche, trasferimento di calore, campi di moto, nonché altri fenomeni fisici importanti per la comprensione di un sistema di batterie. Per i sistemi noti e verificati, sono disponibili modelli concentrati che possono essere basati sulla fisica o basati su circuiti equivalenti.

Si noti che il nome di questo prodotto è cambiato da Batteries & Fuel Cells Module a Battery Design Module con il rilascio della versione 5.6, pur mantenendo tutte le funzionalità. Per gli utenti che modellano celle a combustibile ed elettrolizzatori, è disponibile il nuovo Fuel Cells & Electrolyzers Module.

Cosa puoi modellare con il Battery Design Module

Sistemi di batterie agli ioni di litio

La batteria agli ioni di litio è la più diffusa per applicazioni portatili, grazie alle sue elevate potenza e densità di energia. Il Battery Design Module comprende modelli all'avanguardia per batterie agli ioni di litio. Nel modulo è predefinito il cosiddetto modello di Newman con le ultime scoperte della letteratura scientifica. Per esempio, sono stati incorporati diversi meccanismi di invecchiamento, come crescita del SEI, placcatura di metallo, cortocircuito e degradazione elettrolitica. Questi modelli ad alta fedeltà sono disponibili per 1D, 2D e modellazione 3D completa, con una pseudo-dimensione aggiuntiva per modellare l'intercalazione del litio nelle particelle dell'elettrodo.

Oltre a modellare le reazioni elettrochimiche, quando si combina con lo scambio termico, viene aggiunto un bilancio energetico completo. Si può anche tenere conto delle sollecitazioni strutturali e delle deformazioni causate dall'espansione e dalla contrazione dovuta all'intercalazione del litio, combinando il modulo con lo Structural Mechanics Module.

Per quanto riguarda i più recenti sviluppi nella modellazione delle batterie, il modulo include anche funzionalità per modelli eterogenei, dove la struttura dettagliata degli elettrodi porosi e dell'elettrolita poroso può essere modellata per una cella unitaria rappresentativa di una batteria. Tali modelli possono essere utilizzati per una più profonda comprensione dell'impatto della microstruttura di una batteria.

Sistema di batterie a piombo acido

Il Battery Design Module contiene uno dei modelli di batterie più avanzati per la simulazione di batterie a piombo acido. Il software include le variabili dipendenti per il potenziale ionico nell'elettrolita (sia separatore che elettrolita nei pori), il potenziale elettrico negli elettrodi solidi (e collettori/alimentatori), la composizione dell'elettrolita e la porosità degli elettrodi. Il modulo contiene anche un database dei parametri termodinamici e cinetici per batterie a piombo acido.

Un utilizzo tipico è lo studio dell'effetto dei parametri di progettazione sulle prestazioni della batteria, come lo spessore e la geometria degli elettrodi e dei separatori, la geometria dei collettori e alimentatori, la porosità degli elettrodi, la geometria e la composizione del separatore, per citarne alcuni.

Tra gli studi che si possono eseguire sono inclusi studi transitori completi, compreso l'effetto della capacità del double layer, e studi di spettroscopia di impedenza nel dominio della frequenza.

Generic Battery Systems

Il cavallo di battaglia del Battery Design Module è il modello dettagliato delle celle unitarie di una batteria con elettrodo positivo, elettrodo negativo e separatore. Negli elettrodi, l'elettrolita nei pori è in contatto con l'elettrolita nel separatore.

La struttura porosa negli elettrodi è omogeneizzata, il che significa che l'elettrolita nei pori e il materiale dell'elettrodo solido sono presenti ovunque nello spazio, e una frazione di volume determina le rispettive proprietà delle fasi. Le equazioni di trasporto e le reazioni elettrochimiche e chimiche sono trattate con la cosiddetta teoria degli elettrodi porosi come suggerita da Newman nel libro Electrochemical Systems.

Con questa descrizione generale degli elettrodi porosi, è possibile definire un qualsiasi numero di reazioni concorrenziali in un elettrodo e anche accoppiarlo a un elettrolita di composizione arbitraria. Per esempio, un tutorial di una batteria al vanadio è incluso nella libreria delle applicazioni del modulo.

Si possono descrivere l'elettrolita nei pori e l'elettrolita nel separatore, per qualsiasi composizione, con la teoria degli elettroliti concentrati, elettroliti diluiti (Equazioni di Nernst–Planck) ed elettroliti di supporto.

È disponibile una versione specifica per batterie con elettroliti binari come funzionalità predefinita. Può essere utilizzato per modellare batterie NiMH e NiCd e permette a materiali come l'idrogeno di intercalare nella fase solida.

Interfaccia utente multifisica che mostra le impostazioni dell'elettrodo poroso e un modello della pouch cell di una batteria agli ioni di litio con visualizzazione dell'utilizzo in scala di colori Cividis. Distribuzione della corrente e utilizzo degli elettrodi nella pouch cell di una batteria agli ioni di litio di grandi dimensioni. Il modello è un modello Newman 3D completo con una quarta dimensione in ogni punto degli elettrodi, che rappresenta il raggio delle particelle dell'elettrodo.
Un modello di batteria al piombo-acido con grafici di volume per l'ampiezza della densità di corrente dell'elettrodo, in un gradiente di colore da bianco a viola scuro, e del potenziale elettrolitico, in gradiente di colore da blu scuro a bianco. Densità di corrente e distribuzione del potenziale in un elettrodo a griglia in una batteria a piombo acido.
L'interfaccia utente COMSOL Multiphysics che mostra le impostazioni di distribuzione di correnti terziarie Nernst-Planck e un grafico di superficie della concentrazione in una batteria a flusso di vanadio. Questo tutorial 2D di una batteria a flusso di vanadio dimostra come accoppiare un modello di distribuzione di corrente terziaria per una membrana a scambio ionico a modelli di distribuzione di corrente terziaria per due diversi compartimenti di elettrolita libero di una batteria di flusso. Il modello conta 7 diversi ioni in totale.

Caratteristiche e funzionalità nel Battery Design Module

Elettrodi porosi con un numero arbitrario di reazioni elettrochimiche

I sistemi e le sostanze chimiche delle batterie sono spesso gravati da reazioni secondarie indesiderate agli elettrodi; si può esaminare il loro impatto sui cicli di carica e scarica, così come per l'autoscarica. Esiste un database per le reazioni predefinite, ma si possono aggiungere reazioni secondarie arbitrarie a un elettrodo.

Le reazioni secondarie tipiche che si possono modellare includono l'evoluzione dell'idrogeno, l'evoluzione dell'ossigeno, la crescita di un'interfaccia elettrolitica solida, la placcatura in metallo, la corrosione dei metalli e l'ossidazione della grafite.

Specie intercalanti e trasporto nelle strutture con pori bimodali

Le particelle negli elettrodi porosi delle batteria possono essere solide (elettrodi agli ioni di litio) o porose (piombo–acido, NiCd).

Nel caso di particelle solide, la porosità nell'elettrodo si trova tra le particelle impaccate. Tuttavia, trasporto e reazioni possono avvenire nelle particelle solide per piccoli atomi come atomi di idrogeno e litio. Queste specie intercalanti sono modellate con un'equazione di reazione-diffusione separata definita lungo il raggio delle particelle solide. Il flusso delle specie intercalanti è accoppiato alla superficie delle particelle con le specie che vengono trasportate nell'elettrolita nei pori tra le particelle. Le specie e le reazioni di intercalazione sono predefinite per le batterie agli ioni di litio, ma si può usare la stessa funzionalità per modellare l'intercalazione dell'idrogeno nelle batterie NiMH, per esempio.

Nel caso di particelle porose, si ottiene una struttura dei pori bimodale: una struttura macroporosa tra le particelle impaccate e una struttura microporosa all'interno delle particelle. Le equazioni di reazione-diffusione nelle particelle porose sono definite in modo simile all'intercalazione di specie in particelle solide. Questo è esemplificato nel modello tutorial NiCd incluso nella libreria delle applicazioni del modulo.

Studi di spettroscopia di impedenza e completamente transienti

I sistemi di batterie sono spesso sistemi chiusi, difficili da studiare durante il loro funzionamento. Per caratterizzare una batteria durante il funzionamento si possono utilizzare metodi transitori come potential step, interruzione di corrente e spettroscopia di impedenza.

Gli studi transienti sono in grado di separare i processi in diverse scale temporali. Ad esempio, cinetica e diffusione sono solitamente processi con costanti di tempo diverse. Darebbero quindi effetti di impedenza a frequenze e scale temporali diverse.

Utilizzando studi transienti, possiamo eseguire la stima dei parametri su diverse scale temporali e frequenze per separare perdite ohmiche, cinetiche, di trasporto e altre che possono essere responsabili dell'invecchiamento della batteria. Utilizzando tecniche transienti, modellazione e stima dei parametri, possiamo effettuare previsioni molto accurate sullo stato di salute di un sistema di batterie.

Sistemi di batterie semplificati e concentrati

L'analisi termica dei pacchi batteria può richiedere molto tempo se utilizziamo modelli 3D completi per l'elettrochimica. Un'alternativa consiste nell'usare modelli a parametri concentrati (semplificati) validati per ogni pacco batterie. Una volta validati, i modelli a parametri concentrati possono fornire un'eccellente precisione all'interno di un particolare (forse limitato) range operativo.

Il Battery Design Module contiene modelli a parametri concentrati basati sulla fisica, capaci di risolvere le equazioni elettrochimiche in 1D più una pseudo-dimensione (dimensione delle particelle), 0D più una pseudo-dimensione e modelli 0D puri, come i modelli di circuiti equivalenti, per esempio.

Un modello multicomponente può contenere l'intera gamma di accuratezza, da modelli 3D dettagliati ai modelli 0D concentrati. Questi modelli sono incorporati come componenti separati in un file di modello multicomponente. È quindi facile alternare modelli concentrati e utilizzare modelli dettagliati quando i modelli concentrati devono essere aggiornati e validati per un nuovo range operativo.

Proprietà termodinamiche e dei materiali incorporate per i sistemi di batterie

Uno dei passaggi più lunghi e soggetti a errori nella modellazione dei sistemi di batterie è raccogliere i dati di input e utilizzarli in modo coerente. Per esempio, è importante che gli elettrodi positivo e negativo siano definiti negli stessi sistemi di riferimento. I potenziali dell'elettrodo di equilibrio (semicella) devono essere misurati o calibrati sugli stessi elettrodi di riferimento, elettroliti e temperature, prima che vengano incorporati nello stesso modello di sistema di batterie.

Il database dei materiali delle batterie incluso nel modulo contiene voci per una serie di elettrodi ed elettroliti comuni, riducendo sostanzialmente la quantità di lavoro necessaria per creare nuovi modelli di batterie.

L'interfaccia utente COMSOL Multiphysics che mostra le impostazioni di Porous Electrode Reaction e un grafico 1D della concentrazione di elettrolita per una batteria al piombo. L'elettrodo positivo in una batteria a piombo acido può subire la reazione di evoluzione dell'ossigeno, che viene aggiunta nell'interfaccia utente. Il grafico mostra la concentrazione del sale elettrolitico (sia elettroliti nei pori che separatore) in funzione del tempo durante la scarica a 20°C.
L'interfaccia utente COMSOL Multiphysics che mostra le impostazioni di Porous Electrode Reaction e un grafico 1D del potenziale elettrico in una batteria al nichel-cadmio. Modello di una batteria NiCd con elettrochimica dettagliata e trasporto di ioni idrogeno nella microstruttura porosa.
L'interfaccia utente COMSOL Multiphysics che mostra le impostazioni di intercalazione delle particelle e un grafico 1D di Nyquist dell'impedenza simulata e sperimentale rispetto al riferimento per una batteria agli ioni di litio Stima dei parametri della spettroscopia di impedenza AC con un modello completamente basato sulla fisica (Newman) per la batteria agli ioni di litio. Il Battery Design Module include la spettroscopia di impedenza come studio predefinito.
L'interfaccia utente di COMSOL Multiphysics che mostra le impostazioni della caduta di tensione e un modello di batteria nella finestra Grafica con la temperatura visualizzata utilizzando la scala di colori termocamera. Modello elettrochimico semplificato basato sulla fisica per una batteria agli ioni di litio combinato con un'analisi del trasferimento di calore 3D. Ogni cella della batteria utilizza un modello elettrochimico dipendente dalla temperatura semplificato.
L'interfaccia utente di COMSOL Multiphysics che mostra le impostazioni di Porous Electrode Reaction, un modello di batteria nella finestra Grafica e un elenco di materiali che possono essere aggiunti a destra. Le funzioni per il potenziale dell'elettrodo in funzione dello stato di carica (SOC) per diversi elettrodi e le conducibilità per elettroliti e conduttori elettronici possono essere tutte ottenute dal database integrato per una serie di chimiche.

Ogni esigenza di business e di simulazione è diversa. Per valutare se il software COMSOL Multiphysics® soddisfa o meno le vostre esigenze, non dovete fare altro che contattarci. Parlando con uno dei nostri tecnici commerciali, riceverete consigli personalizzati ed esempi completamente documentati per aiutarvi a ottenere il massimo dalla vostra valutazione e guidarvi a scegliere l'opzione di licenza migliore per soddisfare le vostre esigenze.

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