Batteries & Fuel Cells Module

Zur Simulation des Designs und Betriebs von Batterien und Brennstoffzellen

Batteries & Fuel Cells Module

Temperaturprofil eines luftgekühlten zylindrischen Lithiumionen-Batteriepacks. Das thermische Modell ist mit elektrochemischen Reaktionen und dem Ionenfluss gekoppelt, welche als Wärmequelle fungieren.

Batterien und Brennstoffzellen: Höhere Energiedichten, längere Lebensdauer.

An Batterien und Brennstoffzellen werden immer höhere Anforderungen gestellt, sie müssen immer höhere Energiedichten oder Wirkungsgrade über längere Lebensdauer hinweg liefern. Dies hat dazu geführt, dass sich die Modellierung bzw. Simulation schnell zum unentbehrlichen Werkzeug für die Hersteller entwickelt hat. Diese wird zur Entwicklung, Konstruktion, Optimierung, Qualitätssicherung und zur Gewährleistung eines sicheren Batterien- und Brennstoffzellenbetriebs eingesetzt. Insbesondere eignet sich die Software zur Analyse von Bleiakkumulatoren, Lithiumionen-Batterien, Nickel-Metallhydrid-Akkus, Festoxidbrennstoffzellen, Direktmethanolbrennstoffzellen und Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellen.

Mit dem Batteries & Fuel Cells Module kann das elektrochemische Verhalten der Elektroden und Elektrolyten von Batterien und Brennstoffzellen modelliert werden. Es ermöglicht Ihnen, die Leistung der Zellen bei verschiedenen Betriebsbedingungen und Konstruktionsvarianten sowie die Verschlechterung der Leistung aufgrund verschiedener Alterungserscheinungen zu untersuchen. Mithilfe dieses Moduls können Sie Eigenschaften, wie den Transport von geladenen und neutralen Spezies, die Stromleitung, Fluidströmung und Wärmeübertragung sowie die Art und treibenden Kräfte bei elektrochemischen Reaktionen an planaren Elektroden und in porösen Elektroden simulieren. Mit den gewonnenen Erkenntnissen können Sie dann im Hinblick auf leistungsfähige und sichere Produkte mit optimalen thermischen Eigenschaften die Geometrien entwerfen und optimieren und das am besten geeignete Material für die Elektroden, Trennelemente, Membranen, Elektrolyten sowie Stromabnehmer und -zuleitungen auswählen.


Weitere Bilder

  • Temperaturfeld eines Lithiumionen-Batteriepacks für Anwendungen im Automobilbau. Hier sind die Temperatur-Isoflächen und das Temperaturprofil der Fluidströmung in den Kühlkanälen abgebildet. Temperaturfeld eines Lithiumionen-Batteriepacks für Anwendungen im Automobilbau. Hier sind die Temperatur-Isoflächen und das Temperaturprofil der Fluidströmung in den Kühlkanälen abgebildet.
  • Sauerstoff- und Brennstoff-Konzentrationsverteilungen in den Kanälen und den Gasdiffusionselektroden einer Protonenaustauschmembran-Brennstoffzelle. Sauerstoff- und Brennstoff-Konzentrationsverteilungen in den Kanälen und den Gasdiffusionselektroden einer Protonenaustauschmembran-Brennstoffzelle.
  • Strömung und Druckabfall in einem Brennstoffzellenstack. Strömung und Druckabfall in einem Brennstoffzellenstack.
  • Elektrolytsalzkonzentration während einer 20 C-Entladung in einem Bleiakkumulator. Elektrolytsalzkonzentration während einer 20 C-Entladung in einem Bleiakkumulator.
  • Hier werden mit dem Feature "Interkalationsmaterial" im Lithiumionen-Batterie-Interface zwei verschiedene interkalierte Materialien in der negativen Elektrode beschrieben. Während der Entladung wird die Batterieleistung für verschiedene Mischfraktionen der beiden interkalierten Materialien in der negativen Elektrode untersucht. Hier werden mit dem Feature "Interkalationsmaterial" im Lithiumionen-Batterie-Interface zwei verschiedene interkalierte Materialien in der negativen Elektrode beschrieben. Während der Entladung wird die Batterieleistung für verschiedene Mischfraktionen der beiden interkalierten Materialien in der negativen Elektrode untersucht.
  • Impedanzspektroskopie-Analyse einer voll modellierten 3D-Festoxidbrennstoffzelle. Die Kurven dehnen sich mit zunehmender Differenz zwischen den beiden Austauschstromdichten aus. Impedanzspektroskopie-Analyse einer voll modellierten 3D-Festoxidbrennstoffzelle. Die Kurven dehnen sich mit zunehmender Differenz zwischen den beiden Austauschstromdichten aus.

Komplexe Analyse von Batterie- und Brennstoffzellenmodellen

Am Anfang steht die Modellerstellung

Der erste Schritt bei der Modellierung des Entwurfs einer neuen Batterie oder Brennstoffzelle oder einer bereits früher eingesetzten Zelle ist die Erstellung eines einfachen Modells, das Sie dann nach und nach komplexer gestalten können. Die Eigenschaften der Zelle werden dafür mithilfe eines Primärstromverteilungsmodells untersucht. Dieses Modell vereinfacht die elektrochemische Reaktion, das Elektrolyt und die anderen Komponenten, indem diese als widerstandsbehaftete Leitermithilfe des ohmschen Gesetzes beschrieben werden. Primärstromverteilungsmodelle sind sehr aussagekräftig hinsichtlich Geometrie der Batterie bzw. Brennstoffzelle und des thermischen Managements sowie auch hinsichtlich der strukturellen Integrität bei Wärmeausdehnung.

Das Batteries & Fuel Cells Module stellt spezielle Interfaces für eine Vielzahl von physikalischen Formulierungen in der grafischen COMSOL Desktop®-Benutzeroberfläche zur Verfügung. Innerhalb dieser Physikinterfaces, beispielsweise dem Interface Primärstromverteilung, können Materialeigenschaften, wie z. B. die Leitfähigkeit von Elektroden und Elektrolyt, für die verschiedenen Komponenten einer Batterie oder Brennstoffzelle definiert werden. Weiterhin kann dieses Interface auf einfache Weise mit anderen Physikinterfaces im Batteries & Fuel Cells Module sowie auch in einem anderen Modul bzw. in COMSOL Multiphysics gekoppelt werden, um beispielsweise die Joulsche Erwärmung oder thermischen Beanspruchungen zu berechnen.

Untersuchung der elektrochemischen Eigenschaften eines Systems

Die Einbeziehung von kinetischen Charakteristiken der elektrochemischen Reaktionen erhöht die Aussagekraft und Komplexität der Modelle. Die Kinetik hängt in hohem Maße von der Mikrostruktur der Elektroden, dem Elektrokatalysatormaterial und der Zusammensetzung des Elektrolyts ab. Da nur sehr wenige Materialdatenbanken mit kinetischen Parametern für elektrochemische Reaktionen zur Verfügung stehen, werden diese Parameter von Elektrochemikern meistens experimentell ermittelt. Die Durchführung von umfangreichen und kontrollierten Experimenten in geschlossenen Systemen wie Batterien und Brennstoffzellen ist jedoch aufwändig/schwierig, da sehr viele physikalische Parameter berücksichtigt werden müssen, die den elektrochemischen Prozess beeinflussen können. Um genaue Werte für die kinetischen Parameter zu erhalten, müssen die Ergebnisse der Experimente oft mit Simulationsergebnissen von Experimenten gleicher Art verglichen und die Parameter anschließend entsprechend angepasst werden. Das Batteries & Fuel Cells Module bietet Physikinterfaces, mit denen diese Experimente, z. B. Cyclovoltammetrie und elektrochemische Impedanzspektroskopie simuliert werden können. Das Modul verfügt zusätzlich über Werkzeuge zum Importieren und Plotten von Daten und ermöglicht die Schätzung von Parameterwerten basierend auf diesen Daten (Optimization Module erforderlich).

Sobald die elektrochemischen Kinetikparameter ermittelt worden sind, können Sie diese mithilfe von Sekundärstromverteilungsmodellen in die Analysen von Batterien und Brennstoffzellen einbeziehen. In diesen Modellen werden die elektrochemischen Reaktionen direkt vom Ladungstransfermechanismus und den Aktivierungs-Überspannungen beeinflusst. Die Modelle sind aussagekräftig hinsichtlich geeignetem Betriebsspannungs- und Betriebsstromwert des untersuchten Systems und ermöglichen die Auswahl des optimalen Elektroden- und Elektrokatalysatormaterials. In thermischen Analysen ermöglichen diese Modelle außerdem die Berücksichtigung von Aktivierungs-Überspannungsverlusten.

Zusätzlich kann das Sekundärstromverteilungs-Interface vollständig mit den Interfaces für den Transport chemischer Spezies gekoppelt werden, die den Transport von Stoffen in Gasporen, z. B. in Gasdiffusionselektroden, beschreiben. Bei der Beschreibung von Gasdiffusionselektroden kann der Transport von gelösten Gasen im Porenelektrolyt und deren Transport zu den aktiven Zentren mithilfe von Agglomerat- oder Dünnfilmmodellen berücksichtigt werden. Der Transport von Gas in den Poren ist dann auch mit dem Transport und der Strömung im Gaskanal z. B. in den Bipolarplatten einer Brennstoffzelle, gekoppelt.

Homogene Reaktionen können mithilfe kinetischer Ausdrücke in den Chemischer Stofftransport-Interfaces des Batteries & Fuel Cells Module berücksichtigt werden, in welchen beliebige Senk- und Quellterme definiert werden können. Alternativ können die kinetischen Ausdrücke in den Physikinterfaces des Chemical Reaction Engineering Module definiert und dann mit dem Batterie- bzw. Brennstoffzellenmodell verknüpft werden.

Überblick über den gesamten Prozess

Bei den vorhergehenden Modellen wurde angenommen, dass die Konzentration überall im Elektrolyt konstant ist und dass der Stromtransport nur durch Ionenwanderung erfolgt, was offenkundig nicht der Realität entspricht. Ein bestimmender Faktor bei elektrochemischen Reaktionen ist die Elektrolytzusammensetzung in der Nähe der reaktiven Zentren. Um eine genaue Analyse der elektrochemischen Eigenschaften einer Batterie oder Brennstoffzelle zu erzielen, kann die Ermittlung der tertiären Stromverteilung erforderlich sein. Dabei werden die Konzentrationsschwankungen berücksichtigt und die Stoffbilanzen sowie der Transport im Elektrolyt gut beschrieben.

Bei der Tertiärstromverteilung kann in porösen Elektroden und Gasdiffusionselektroden die Zusammensetzung von Elektrolyt und Porenelektrolyt mit den Stoffbilanzen für Gasphase und Gasporen gekoppelt werden. Diese Beschreibungen können auch mithilfe von Ansammlungs- oder Dünnfilmmodellen um den Stofftransport durch das Porenelektrolyt erweitert werden. Bei Batterien kann der Transport in Elektrodenpartikeln durch die Anwendung spezieller Interkalationsgleichungen berücksichtigt werden.

Es besteht die Möglichkeit, dass die Materialien der Separatorelementen und Elektroden eine homogene Reaktion eingehen, was zu einer Leistungsverschlechterung führt. Mithilfe der Interfaces für den Transport chemischer Spezies können Sie die chemischen Reaktionen dieser Stoffe modellieren, um einzuschätzen, welche Auswirkung die Alterung der Zellmaterialien auf die Leistung der Batterie bzw. Brennstoffzelle haben wird.

Die Leitung des elektrischen Stroms in den Elektroden und in den Stromabnehmern wird durch das ohmsche Gesetz in Kombination mit den Gleichungen für die Stromerhaltung beschrieben. Dabei werden die ohmschen Verluste in elektrischen Leitern, wie z. B. Stromabnehmern und -zuleitungen, Elektroden, porösen Elektroden und Gasdiffusionselektroden, berücksichtigt. Stromabnehmer und -zuleitungen können ferner mittels dünner leitender Schichten, die als Schalen bezeichnet werden, modelliert werden, um die Vernetzung entlang der Dicke dieser dünnen Schichten zu vermeiden. Mithilfe von Ladungstransferreaktionen in den Elektroden-Interfaces kann die Strombilanz in den elektrischen Leitern mit der Strombilanz im Elektrolyt und Porenelektrolyt gekoppelt werden.

Integration von Batterie- und Brennstoffzellenmodellen in andere Physikmodelle

Die im Batteries & Fuel Cells Module entwickelten Modelle können in die Physikinterfaces eines beliebigen anderen Moduls der COMSOL-Produktreihe integriert werden. Dank einer solchen Integration können Sie wichtige Informationen gewinnen, und zwar über die Leistung, die Auslegung und den Betrieb von Stromabnehmern und -zuleitungen, die Optimierung von Elektroden, Trennelementen und Membranen sowie über das Wärmemanagement (bzw. Kühlsysteme) und die Leistungsverschlechterung aufgrund von Alterung.

Die Fluidströmungs-Interfaces im CFD Module und im Heat Transfer Module ermöglichen die Simulation turbulenter Strömung, die für Wärme- und Kühlsysteme von Lithiumionen-Batterien und Hochtemperatur-Brennstoffzellen, wie z. B. Schmelzkarbonat- und Festoxidbrennstoffzellen, genutzt werden können. Bei diesen Simulationen können auch Formulierungen für Strahlungsübergänge zwischen Oberflächen erforderlich sein, welche im Heat Transfer Module verfügbar sind. Mithilfe des Optimization Module können Sie außerdem Parameterschätzungen für Impedanzspektroskopie, Voltammetrie sowie Stromunterbrechungssimulationen und -experimente vornehmen. Durch die Berücksichtigung der mechanischen Spannungen, die durch die Änderung der Elektrodendichte während des Lade- und Entladevorgangs hervorgerufen wird, kann die Alterung der Elektroden modelliert werden. Anhand dieser Spannungen kann die Anzahl der Mikrobrüche in den Elektrodenpartikeln geschätzt werden, die zu einer geringeren elektrischen Leitfähigkeit und somit zu einer verschlechterten Leistung der Elektrode führen.

Physikinterfaces zur Simulation aller Aspekte des elektrochemischen Verhaltens

Das Batteries & Fuel Cells Module ist die einzige Simulationssoftware, mit der alle Batterie- und Brennstoffzellentypen ohne Einschränkungen modelliert werden können. Die leistungsfähige und stabile Funktionalität dieses Moduls ermöglicht die Simulation aller Aspekte des elektrochemischen Verhaltens. Zu diesem Modul gehören mehrere Physikinterfaces, mit denen die elektrochemischen Prozesse oder die Prozesse, die sich auf die elektrochemischen Prozesse auswirken, simuliert werden können.

Transport chemischer Spezies

Die reagierenden Spezies in Batterien und Brennstoffzellen können in verschiedenen Zuständen und Phasen auftreten (und überführt werden). Sie können gasförmig, flüssig und fest sein sowie in konzentrierten und verdünnen Elektrolyten, Gemischen und Festkörperlösungen vorliegen. Mithilfe der Interfaces des Batteries & Fuel Cells Module kann der Transport von chemischen Stoffen in einer Vielzahl von freien und porösen Medien modelliert werden. Dazu gehört die Diffusion, Konvektion und Migration der Spezies in verdünnten und konzentrierten Lösungen und Gemischen, in planaren, porösen Elektroden sowie Gasdiffusionselektroden.

Die Migration von Spezies kann in allen Physikinterfaces definiert werden, und ist im tertiären Stromverteilungs-Interface durch die Nernst-Planck-Gleichung in die Analyse mit einbezogen. In den Physikinterfaces zur Modellierung von Lithiumionen-Batterien, Bleiakkumulatoren und Binärelektrolytakkumulatoren ist der Materialtransport elektrolytspezifisch definiert. Eine direkte Kopplung des Transportes von chemischen Spezies an eine Strömung und chemische Reaktionen kann mithilfe des spezifischen Reaktionsströmungs-Interface modelliert werden.

Elektrochemische Reaktionskinetik

Wie bei allen Modulen der COMSOL-Produktreihe können Sie beliebige Gleichungen in den Eingabefeldern der Physikinterfaces definieren und diese Gleichungen dann von irgendwelchen Variablen im modellierten System abhängig machen. Wenn eigene Gleichungen für elektrochemische Ladungstransferreaktionen definiert werden, können die kinetischen Ausdrücke beliebige Funktionen der Konzentration der Spezies, der Temperatur und des lokalen Elektroden- sowie Elektrolytpotenzials an der Elektroden-Elektrolyt-Grenzfläche sein.

Das Batteries & Fuel Cells Module verfügt über vordefinierte Physikinterfaces, die die Definition der Reaktionskinetik erleichtern. Dazu gehört auch das Elektroanalyse-Interface, das sich insbesondere zum Modellieren der Impedanz eignet. In den Eingabefeldern der Sekundär- und Tertiärstromverteilungs-Interfaces können folgende Elektrodenkinetikparameter angeben werden, und zwar für Gleichgewichtspotenzial, Anoden- und Kathoden-Ladungstransferkoeffizienten, Austauschstromdichte, Symmetriefaktor sowie Stöchiometrie. Vordefinierte Ausdrücke für die Butler-Volmer- und Tafel-Gleichungen sind ebenfalls vorhanden. Im Tertiärstromverteilungs-Interface wird die lokale Konzentration der elektroaktiven Stoffe in die Reaktionsausdrücke mit einbezogen, indem die entsprechenden Konzentrations-Variablen verwendet werden. In den Physikinterfaces können ebenfalls poröse Elektroden und Gasdiffusionselektroden definiert werden, indem die Leitfähigkeit des Elektrolyts und der Elektrode sowie das anisotrope Verhalten spezifiziert werden.

Strombilanzen im Elektrolyt und in den Elektroden

Der Zweck von Batterien und Brennstoffzellen ist, chemische Energie in elektrische Energie umzuwandeln und bei Akkumulatoren auch umgekehrt. Dabei sollten Verlust und Alterung möglichst gering gehalten werden. Um realitätsnahe Simulationen für das Design und die Optimierung zu ermöglichen, müssen in der Regel der Ionentransport im Elektrolyt, in Membranen und porösen Elektroden sowie auch die Elektronenleitung in den Elektroden in Kombination mit der Strom- und Ladungserhaltung in die Berechnungen mit einbezogen werden.

In den Primär- und Sekundärstromverteilungs-Interfaces wird mit der Annahme gearbeitet, dass sich Ionen nur durch die Effekte des elektrischen Feldes und nicht durch Diffusion bewegen. Es können jedoch approximative analytische Ausdrücke für die Konzentrationsüberspannung in porösen Elektroden enthalten. Das Sekundärstromverteilungs-Interface kann mithilfe der Maxwell-Stefan-Gleichungen mit dem Gasphasentransport in den Poren von Gasdiffusionselektroden gekoppelt werden. Dabei wird die Diffusion von gelösten Spezies im Porenelektrolyt zwischen der Gaspore und den aktiven Zentren durch entsprechende Agglomerat- oder Dünnfilmmodelle berücksichtigt.

Im Tertiärstromverteilungs-Interface wird der Ionentransport durch die drei möglichen Transportprozesse beschrieben: Diffusion, Konvektion und Migration (Nernst-Planck-Gleichungen). Alle Beiträge sind in die Formulierung der Stromdichte einbezogen, wobei die Konvektion in der Regel durch die Elektroneutralität aufgehoben wird. Diese Formulierung ist auch mit den Ladungstransferreaktionen an der Elektroden-Elektrolyt-Grenzfläche gekoppelt und liefert ein Ergebnis für die Zellenspannung, die in Verbindung mit dem Zellstrom steht, für Stationär-, Transient- und Frequenzbereichsanalysen (Impedanzspektroskopie).

Die Leitung des elektrischen Stroms in den Elektroden und in den Stromabnehmern wird durch das ohmsche Gesetz in Kombination mit den Gleichungen für die Stromerhaltung, einschließlich der elektrischen Leitung in porösen Elektroden und Gasdiffusionselektroden, beschrieben. Das Batteries & Fuel Cells Module enthält auch ein Interface, das die Modellierung der Stromleitung in dünnen Stromabnehmern und -zuleitungen vereinfacht. In diesem Interface wird mit dünnen Schichten (Schalen) gearbeitet, die nicht vernetzt werden müssen. In die Zellen können auch elektrisch leitende Partikel, Fasern oder Drähte eingefügt werden, um die Auswirkungen eines Kurzschlusses und thermischen Durchgehens in Batterien zu simulieren.

Batterie-Interfaces

Das Batteries & Fuel Cells Module bietet spezielle Interfaces für die Modellierung von Lithiumionen-Batterien. Diese Interfaces verfügen über zusätzliche Ausdrücke und Formulierungen zur Beschreibung der internen Partikeldiffusion (Interkalation) und der Festkörper-Elektrolyt-Grenzschicht mit einer gewissen Dicke, die als Modellvariable einbezogen wird. Die Zunahme der Festkörper-Elektrolyt-Grenzschicht kann während des Betriebs und unter verschiedenen Betriebsbedingungen modelliert werden, um die Alterung zu simulieren. Das Modul verfügt weiterhin über ein Bleiakkumulator-Interface, das zusätzlich die Änderung der Porosität in den Elektroden aufgrund der Auf- und Entladung der Batterie berücksichtigt. Auch wird die durchschnittliche Leerrohrgeschwindigkeit des Elektrolyts, die durch die Porositätsänderung bestimmt wird, berücksichtigt. Weiterhin ist ein spezielles Physikinterface für Binärelektrolytakkumulatoren vorhanden, das konzentrierte Elektrolyte berücksichtigt, und auch die Bedingungen, die aufgrund der Elektroneutralität für den Ionentransport in solchen Systemen gelten. Auch die Interkalation von Stoffen in den Partikeln, welche die porösen Elektroden bilden, wird berücksichtigt. Dieses Interface eignet sich besonders für die Modellierung von Nickel-Metallhydrid- und Nickel-Cadmium-Akkumulatoren.

Fluidströmung

Die Fluidströmung in laminaren und porösen Medien wird in den Physikinterfaces des Batteries & Fuel Cells Module mithilfe der Navier-Stokes-Gleichungen, des Darcy-Gesetzes und der Brinkman-Gleichungen berechnet. Sie können ebenfalls turbulente und Zweiphasenströmungen berücksichtigen, indem Sie die Fluidströmungs-Interfaces des CFD Module in die Simulationen mit einbeziehen.

Wärmeübertragung

Das Batteries & Fuel Cells Module verfügt über Physikinterfaces zur Modellierung der Wärmeübertragung durch Konvektion, Leitung und thermische Diffusion aufgrund der Ionenwanderung. Ein spezielles Interface für Joulsche-Erwärmung berücksichtigt die Aktivierungsverluste. Ein anderes Interface ermöglicht die Modellierung der Wärmeübertragung in porösen Medien, wobei die unterschiedliche Leitfähigkeit im festen und flüssigen Zustand berücksichtigt wird. Auch wird die in diesem Medientyp auftretende konvektive thermische Dispersion mit einbezogen. In Hochtemperatursystemen können Strahlungsübergänge zwischen Oberflächen mit berücksichtigt werden, indem die Modelle mit den Physikinterfaces des Heat Transfer Module gekoppelt werden.

Battery Simulation Propels Electric Cars in China

Highly Accurate Li-ion Battery Simulation

Thermal Modeling of a Cylindrical Lithium-Ion Battery in 3D

Current Density Distribution in a Solid Oxide Fuel Cell

Liquid-Cooled Lithium-Ion Battery Pack

All-Solid-State Lithium-Ion Battery

Lithium-Ion Battery Impedance

2D Lithium-Ion Battery

Soluble Lead-Acid Redox Flow Battery

Electrochemical Impedance Spectroscopy

Cyclic Voltammetry at a Macroelectrode in 1D