Aggiornamenti del Batteries & Fuel Cells Module

Agli utenti del Batteries & Fuel Cells Module, COMSOL Multiphysics® versione 5.2a offre la nuova interfaccia multifisica Reacting Flow per accoppiare la fluidodinamica e le reazioni in gas e liquidi, nonché la nuova interfaccia Single Particle Battery che semplifica la modellazione di batterie agli ioni di litio e al nichel-metallo idruro. La nuova funzionalità per le interfacce Lithium-Ion Battery e Battery with Binary Electrolyte include un'opzione di assemblaggio rapido, migliori impostazioni predefinite del solutore e stabilità numerica per stati di carica (SOC) alti e bassi. Gli aggiornamenti del Batteries & Fuel Cells Module sono descritti nei dettagli qui di seguito.

Nuova interfaccia Single Particle Battery

La nuova interfaccia Single Particle Battery offre un approccio semplificato per la modellazione di vari tipi di batterie, tra cui quelle agli ioni di litio e al nichel-metallo idruro. Le equazioni che regolano il modello, che descrivono la batteria, in genere sono valide per i livelli di corrente medio-bassa e possono essere definite sia a livello globale (con un conseguente carico computazionale basso) o localmente nella geometria. L'opzione locale può essere utilizzata per studiare gli effetti della distribuzione di temperatura irregolare in batterie grandi.

L'approccio di singola particella è più efficiente nei calcoli e più accurato a carichi moderati. Questo consente di modellare assiemi 3D complessi di batterie con un costo computazionale relativamente basso, con i comportamenti di scarica e carica forniti dal semplice modello a singola particella in ogni punto nella descrizione tridimensionale della batteria.

Percorso della Application Library con un esempio che utilizza la nuova interfaccia Single Particle Battery: Batteries_and_Fuel_Cells_Module/Batteries,_Lithium-Ion/li_battery_single_particle

Nuova interfaccia multifisica Reacting Flow

Per migliorare lo studio della fluidodinamica e delle reazioni in gas e liquidi, la nuova interfaccia multifisica Reacting Flow combina le interfacce Single-Phase Flow e Transport of Concentrated Species. Precedentemente disponibile come un'interfaccia stand-alone, la nuova interfaccia Reacting Flow offre un controllo migliore delle impostazioni in ogni interfaccia fisica così come negli accoppiamenti multifisici tra loro.

Utilizzando il nuovo accoppiamento Reacting Flow, è stato migliorato di molto il processo di soluzione separato o contemporaneo delle interfacce accoppiate. Questo è importante per il flusso reagente al fine di generare le condizioni iniziali ideali o per verificare come l'accoppiamento influenza i risultati. L'interfaccia multifisica Reacting Flow supporta flussi reagenti laminari e turbolenti, così come il flusso e le reazioni in mezzi porosi.

Percorso della Application Library con un esempio che utilizza la nuova interfaccia multifisica Reacting Flow:

Chemical_Reaction_Engineering_Module/Reactors_with_Mass_and_Heat_Transfer/round_jet_burner

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Nuova funzionalità in Transport of Concentrated Species: Porous Media Transport Properties

La nuova funzione Porous Media Transport Properties consente di studiare il trasporto multicomponente in una soluzione che scorre in un mezzo poroso. La nuova funzionalità include i modelli per calcolare le proprietà di trasporto efficace che dipendono dalla porosità del materiale, in combinazione con il trasporto in miscele concentrate.

Percorso della Application Library con un esempio che utilizza la nuova funzione Porous Media Transport Properties nell'interfaccia Transport of Concentrated Species:

Chemical_Reaction_Engineering_Module/Reactors_with_Porous_Catalysts/carbon_deposition

La distribuzione della porosità in un reattore per la decomposizione termica del metano su un catalizzatore solido Ni-Al2O3 è oggetto di studio con la funzione Porous Media Transport Properties. La porosità diminuisce via via che si forma fuliggine nella reazione di decomposizione. La distribuzione della porosità in un reattore per la decomposizione termica del metano su un catalizzatore solido Ni-Al2O3 è oggetto di studio con la funzione Porous Media Transport Properties. La porosità diminuisce via via che si forma fuliggine nella reazione di decomposizione.
La distribuzione della porosità in un reattore per la decomposizione termica del metano su un catalizzatore solido Ni-Al2O3 è oggetto di studio con la funzione Porous Media Transport Properties. La porosità diminuisce via via che si forma fuliggine nella reazione di decomposizione.

Nuova interfaccia Nernst-Planck-Poisson Equations

La nuova interfaccia di multifisica Nernst-Planck-Poisson Equations può essere utilizzata per valutare le distribuzioni di carica e ioni all'interno di un doppio strato elettrochimico, quando non è possibile assumere la neutralità della carica. L'interfaccia Nernst-Planck-Poisson Equations aggiunge le interfacce Electrostatics e Transport of Diluted Species a un modello, insieme agli accoppiamenti predefiniti per densità di carica nello spazio e del potenziale di carica.

Nuova condizione al contorno External Short

La nuova condizione al contorno External Short consente di cortocircuitare superfici di elettrodi, elettrodi porosi ed elettrodi attraverso una resistenza lumped esterna. La nuova condizione al contorno è adatta, ad esempio, per studiare i cortocircuiti nelle batterie o per l'interconnessione di oggetti grandi, elettrochimicamente attivi in problemi di protezione dalla corrosione.

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Nuovo nodo multifisico Electrochemical Heat Source

La nuova interfaccia multifisica Electrochemical Heat Source è un modo facoltativo per accoppiare le fonti di calore elettrochimico con un'interfaccia di scambio termico.

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Nuovo tipo di cinetica Thermodynamic Equilibrium

Le reazioni di un elettrodo ora supportano il nuovo tipo di cinetica Thermodynamic Equilibrium (noto come Primary Condition nell'interfaccia Secondary Current Distribution), che assume un sovrapotenziale zero (perdite di tensione trascurabili).

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Nuovo supporto per Film Resistance e Dissolving-Depositing Species in Porous Electrode ed Edge Electrode

I nodi Porous Electrode ed Edge Electrode supportano ora l'aggiunta di resistenze del film e delle specie depositanti-dissolventi. In precedenza, queste erano supportate solo nella funzione Electrode Surface. Le resistenze del film e le specie depositanti-dissolventi negli elettrodi porosi possono essere utilizzate, ad esempio, per modellare la formazione dell'interfase solido-elettrolita (SEI) nelle batterie agli ioni di litio.

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Nuova opzione di assemblaggio rapido nelle interfacce Lithium-Ion Battery e Battery with Binary Electrolyte

L'attivazione di Fast assembly in particle dimension nell'interfaccia Porous Electrode consente di ridurre sensibilmente i tempi di calcolo per alcuni modelli di batteria che utilizzano l'intercalazione particellare. L'effetto è più pronunciato nei modelli 1D, quando il numero di elementi della mesh negli elementi batteria è paragonabile a quello nella dimensione delle particelle. Tuttavia, quando si utilizza questa opzione, non è possibile postprocessare i dati dalla soluzione lungo l'asse della dimensione delle particelle e non è supportato l'utilizzo delle proprietà variabili del materiale, come il coefficiente di diffusione solida nella dimensione delle particelle.

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Migliori impostazioni predefinite per il solutore nelle interfacce Lithium-Ion Battery e Battery with Binary Electrolyte

Per le dimensioni dello spazio 2D e 3D, le concentrazioni intercalanti si trovano ora in gruppi distinti in un solutore separato. Questa modifica riduce i requisiti di memoria per problemi di grandi dimensioni, nonché i tempi di calcolo delle simulazioni.

Migliore stabilità numerica per stati di carica (SOC) alti e bassi nelle interfacce Lithium-Ion Battery e Battery with Binary Electrolyte

È stata migliorata la stabilità numerica degli stati di carica vicini a 0% e 100% quando si utilizza Lithium insertion kinetics nel nodo Porous Electrode Reaction. La formulazione cinetica migliorata è utilizzata per impostazione predefinita nei nuovi modelli. Al fine di utilizzare la nuova espressione cinetica in un modello esistente, attivarla nella sezione Advanced Insertion Kinetics Expression Settings (solo se è abilitato Advanced Physics Options).

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Nuovo tutorial: Internal Short Circuit of a Lithium-Ion Battery

Quando in una batteria si verifica un cortocircuito interno, i due materiali dell'elettrodo sono interconnessi internamente ed elettronicamente, dando origine ad un'elevata densità di corrente locale. I cortocircuiti interni possono verificarsi in una batteria agli ioni di litio, ad esempio, per la formazione di dendrite di litio o per shock da compressione. Un cortocircuito interno prolungato provoca l'autoscarica della batteria, oltre all'aumento della temperatura locale. Quest'ultimo effetto è importante perché l'elettrolita può iniziare a decomporsi per reazione esotermica se la temperatura sale oltre una certa soglia, causando runaway termico e potenziali rischi di salute e sicurezza.

Questo tutorial indaga l'aumento di temperatura locale dovuto a un filamento metallico che penetra il separatore tra i due materiali dell'elettrodo poroso. La fisica è impostata con l'interfaccia Lithium-Ion Battery accoppiata all'interfaccia Heat Transfer. La chimica della batteria è costituita da un elettrodo negativo di grafite e un elettrodo positivo di NMC con un elettrolita LiPF6.

Percorso della Application Library del tutorial Short Circuit of a Lithium-Ion Battery:

Batteries_and_Fuel_Cells_Module/Batteries,_Lithium-Ion/internal_short_circuit

Una sezione trasversale della distribuzione di temperatura in una batteria agli ioni di litio intorno a un piccolo filamento penetrante e la temperatura sulla superficie del filamento. Una sezione trasversale della distribuzione di temperatura in una batteria agli ioni di litio intorno a un piccolo filamento penetrante e la temperatura sulla superficie del filamento.
Una sezione trasversale della distribuzione di temperatura in una batteria agli ioni di litio intorno a un piccolo filamento penetrante e la temperatura sulla superficie del filamento.

Tutorial aggiornato: Capacity Fade

Le reazioni ai lati ed i processi di degradazione possono causare diversi effetti indesiderati, portando alla perdita di capacità nelle batterie agli ioni di litio. In genere, l'invecchiamento si verifica per via di molteplici fenomeni complessi e di reazioni che avvengono contemporaneamente in punti diversi all'interno della batteria, e il tasso di degradazione varia negli stadi di un ciclo di carico, a seconda del potenziale, della concentrazione locale, della temperatura e della direzione di corrente. I diversi materiali di una cella invecchiano in modo diverso, e la combinazione di materiali diversi può accelerare tale processo, ad esempio, causando il crosstalk nei materiali dell'elettrodo.

Questo tutorial illustra l'invecchiamento nell'elettrodo negativo di grafite in una batteria agli ioni di litio, dove una reazione che forma un'interfaccia solido-elettrolita (SEI) comporta una perdita irreversibile della capacità di carica/scarica del litio. Il modello include anche l'effetto di maggiori perdite di potenziale dovute alla resistenza del film SEI che si accumula sulle particelle dell'elettrodo, così come l'effetto di una frazione di volume ridotto dell'elettrolita sul trasporto di carica dell'elettrolita.

Questo tutorial è stato aggiornato rispetto alla versione precedente di COMSOL Multiphysics® con l'inclusione dei dati di invecchiamento più recenti tratti dalla letteratura scientifica. Inoltre, è stato introdotto un fattore di scala temporale per ridurre il tempo di simulazione per più cicli.

Percorso della Application Library con il tutorial Capacity Fade:

Batteries_and_Fuel_Cells_Module/Batteries,_Lithium-Ion/capacity_fade

Tensione della cella durante una scarica 1 C per un diverso numero di cicli di invecchiamento. Tensione della cella durante una scarica 1 C per un diverso numero di cicli di invecchiamento.
Tensione della cella durante una scarica 1 C per un diverso numero di cicli di invecchiamento.