Battery Design Module

Comprendere, progettare e ottimizzare i sistemi di batterie

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

Le descrizioni includono fenomeni fisici come trasporto di specie cariche e neutre, bilanci di carica, reazioni chimiche ed elettrochimiche, riscaldamento Joule ed effetti termici dovuti alle reazioni elettrochimiche, trasferimento di calore, campi di moto, nonché altri fenomeni fisici importanti per la comprensione di un sistema di batterie.

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A battery pack model consisting of 200 batteries, visualized in the Heat Camera color table.

Batterie agli ioni di litio

Il Battery Design Module comprende modelli all'avanguardia per le batterie agli ioni di litio. Troverete diversi meccanismi di invecchiamento e modelli ad alta fedeltà, come il modello di Newman, disponibili per 1D, 2D e modellazione 3D completa. Oltre a modellare le reazioni elettrochimiche da sole, è possibile combinarle con il trasferimento di calore e tenere conto delle sollecitazioni strutturali e delle tensioni causate dall'espansione e dalla contrazione dall'intercalazione del litio. Il modulo offre anche funzionalità per impostare modelli eterogenei, che descrivono le forme reali dell'elettrolita poroso e delle particelle dell'elettrodo. Lo studio della microstruttura di una batteria aiuta a raggiungere una comprensione più profonda delle sue prestazioni.

Batterie piombo-acido

Per la simulazione di batterie piombo-acido, il software include le variabili dipendenti per il potenziale ionico, la composizione di un elettrolita, il potenziale elettrico e la porosità negli elettrodi solidi. Il modello tiene conto della dissoluzione e della deposizione dei solidi. Le caratteristiche integrate permettono anche di studiare come le prestazioni della batteria siano influenzate da vari parametri di progettazione, tra cui lo spessore e la geometria degli elettrodi e dei separatori, la geometria dei collettori di corrente e degli alimentatori e altri ancora.

Batterie generiche

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. 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. Il modulo permette di descrivere l'elettrolita nei pori e l'elettrolita nel separatore, per qualsiasi composizione, con la teoria per elettroliti concentrati, diluiti (equazioni di Nernst-Planck) e di supporto in combinazione con la teoria degli elettrodi porosi.

Cosa puoi modellare con il Battery Design Module

Esegui diversi tipi di analisi elettrochimiche per batterie con il software COMSOL®.

Modello 3D che mostra linee di flusso in un gradiente di colore da blu scuro a bianco che si muove attraverso formazioni simili a macchie viola.

Modelli eterogenei e omogenei

Modellare la struttura dettagliata degli elettrodi porosi e dell'elettrolita poroso per una cella unitaria rappresentativa di una batteria.

Grafico 1D che mostra la caduta potenziale dello strato SEI a 1C con la caduta potenziale sullo strato SEI sull'asse y e il numero di ciclo sull'asse x.

Interfaccia Growth of Solid Electrolyte (SEI)

Modellare l'invecchiamento di un elettrodo negativo in grafite in una batteria agli ioni di litio.

Grafico 1D dello sforzo indotto dalla diffusione con Pa sull'asse y e dimensione delle particelle normalizzate sull'asse x.

Sforzi da diffusione

Calcolare gli sforzi e le deformazioni di intercalazione causati dall'espansione e dalla contrazione.1

Visualizzazione ingrandita di un modello con un cilindro giallo circondato dal gradiente di colore di una termocamera.

Cortocircuiti

Studiare un cortocircuito interno di una batteria.

Modello di pacco batteria di 12 batterie cilindriche con temperatura mostrata in gradazione arcobaleno.

Pseudo-dimensione

Modellare l'intercalazione di litio nelle particelle dell'elettrodo.

Grafico della capacita 1D con la concentrazione sull'asse y e nm sull'asse x.

Capacità a doppio strato

Simulare condensatori elettrochimici e nanoelettrodi.

Un modello di batteria cilindrica in rame e nero, con flusso che scorre nella batteria mostrato sotto forma di linee di flusso nella tabella colori di una termocamera.

Batterie NiMH e NiCd

Modellare batterie con elettroliti alcalini binari (1:1).

Flusso di piombo visualizzato in gradazione arcobaleno.

Batterie a flusso

Simulare batterie a flusso al piombo-acido e al vanadio durante un ciclo di carica e scarica.

Grafico 1D del potenziale ciclico di carica-scarica con potenziale di cella sull'asse y e tempo in secondi sull'asse x.

Placcatura di metallo

Specificare la capacità dell'elettrodo ospite di evitare la placcatura metallica in litio durante la carica ad alta velocita.

Grafico 1D con porosità sull'asse y e spessore adimensionale dell'elettrodo positivo sull'asse x.

Degradazione dell'elettrolita

Modellare reazioni chimiche influenzate dal trasporto di specie nei mezzi porosi.

Grafico 1D che mostra l'impedenza simulata NCA rispetto al riferimento in blu e l'impedenza sperimentale NCA rispetto al riferimento in verde, dove le due linee sono in stretta corrispondenza fino a 0,0016.

Spettroscopia di impedenza

Studiare la risposta armonica di una batteria utilizzando modelli ad alta fedeltà basati sulla fisica.

Grafico 1D con potenziale di cella in volt sull'asse y e tempo in secondi sull'asse x, e con linee per la tensione di cella modellata in blu e tensione di cella sperimentale in verde; le due linee sono in stretta corrispondenza.

Modelli a parametri concentrati con stima dei parametri

Definire un modello di batteria semplificato basato su un piccolo insieme di parametri concentrati che adattino i risultati di modelli ad alta fedeltà ai risultati sperimentali.2

  1. Richiede Structural Mechanics Module
  2. Richiede Optimization Module

Caratteristiche e funzionalità del Battery Design Module

Il Battery Design Module offre una serie di strumenti specializzati per simulare le prestazioni delle batterie in diverse condizioni operative.

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.

Modellazione semplificata di una batteria

Per un'analisi termica più veloce dei pacchi batteria 3D, si possono usare modelli a parametri concentrati (semplificati) validati per ogni batteria in un pacco. Una volta verificati, i modelli a parametri concentrati possono offrire un'eccellente precisione all'interno di un particolare range operativo. Il Battery Design Module contiene modelli a parametri concentrati che sono basati sulla fisica e risolvono le equazioni elettrochimiche in dimensioni spaziali multiple.

L'interfaccia Single Particle Battery modella la distribuzione della carica in una batteria usando un modello separato a singola particella per gli elettrodi positivi e negativi della batteria. L'interfaccia Lumped Battery utilizza un piccolo set di parametri concentrati per aggiungere i contributi per la somma di tutte le perdite di tensione nella batteria, derivanti dalle resistenze ohmiche e, opzionalmente, dai processi di trasferimento e diffusione della carica. Inoltre, è possibile definire un modello di batteria basato su un numero arbitrario di elementi del circuito elettrico grazie all'interfaccia Battery Equivalent Circuit.

Interfaccia utente di COMSOL Multiphysics che mostra il Model Builder con il nodo Porous Electrode Reaction evidenziato, la finestra Settings corrispondente e un grafico 1D della concentrazione dell'elettrolita per il modello.

Elettrodi porosi con numero arbitrario di reazioni elettrochimiche

I sistemi e le sostanze chimiche delle batterie sono spesso gravati da reazioni secondarie indesiderate agli elettrodi; è possibile esaminare il loro impatto sui cicli di carica e scarica, cosi 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 evoluzione dell'idrogeno, evoluzione dell'ossigeno, crescita di un'interfaccia elettrolitica solida, placcatura in metallo, corrosione dei metalli e ossidazione della grafite.

Interfaccia utente di COMSOL Multiphysics che mostra il Model Builder con il nodo Frequency Domain Perturbation evidenziato, la finestra Settings corrispondente e un grafico 1D dell'impedenza per il modello.

Studi di spettroscopia d'impedenza e completamente transitori

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.

Utilizzando studi transitori, è possibile eseguire la stima dei parametri su diverse scale temporali e frequenze per separare le perdite ohmiche, cinetiche, di trasporto e di altro tipo che possono essere responsabili dell'invecchiamento della batteria. Usando tecniche transitorie, modellazione e stima dei parametri, si possono fare stime molto accurate dello stato di salute di un sistema di batterie.

Interfaccia utente di COMSOL Multiphysics che mostra il Model Builder con il nodo Lithium-Ion Battery evidenziato, la finestra Settings corrispondente e la finestra Graphics contenente un modello circolare blu con un picco in rosso, arancione, giallo e verde acqua.

Modellazione ad alta fedeltà di una batteria

L'interfaccia Lithium-Ion Battery è usata per calcolare le distribuzioni di potenziale e corrente in una batteria agli ioni di litio. Possono essere utilizzati diversi materiali elettrodici intercalanti e sono incluse anche le perdite di tensione dovute agli strati SEI.

L'interfaccia Battery with Binary Electrolyte è usata per calcolare le distribuzioni di potenziale e corrente in una batteria generica. Si possono utilizzare diversi materiali elettrodici intercalanti e si possono includere anche le perdite di tensione dovute alla formazione di film sugli elettrodi porosi.

Interfaccia utente di COMSOL Multiphysics che mostra il Model Builder con il nodo Particle Intercalation evidenziato, la finestra Settings corrispondente e un grafico 1D dei profili di tensione per diverse frazioni miste di NCA e LMO per il modello.

Specie intercalanti e trasporto in strutture a pori bimodali

Le particelle negli elettrodi per batterie porose possono essere solide (elettrodo 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, nelle particelle solide possono avvenire trasporto e reazioni per piccoli atomi come idrogeno e litio. Queste specie intercalanti sono modellate con un'equazione di diffusione-reazione 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.

Interfaccia utente di COMSOL Multiphysics che mostra il Model Builder con il nodo Lithium-Ion Battery evidenziato, la finestra Settings corrispondente e un modello di batteria con la temperatura visualizzata nella tabella colori di una termocamera.

Termodinamica e proprietà dei materiali integrate

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 necessario per creare nuovi modelli di batterie.

Uno dei passi più lunghi e soggetti a errori nella modellazione dei sistemi di batterie consiste nel raccogliere i dati di input e usarli in modo coerente. Per esempio, è importante che gli elettrodi positivi e negativi 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 di essere incorporati nello stesso modello di sistema di batterie.

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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