Batteriesysteme verstehen, designen und optimieren

Modell einer rechteckigen Li-Ionen-Akku Pouch-Zelle, das die Stromverteilung im Farbschema einer Wärmebildkamera zeigt.

Detaillierte Darstellung der Temperatur und der Strömung in einem Modell eines zylindrischen Akkus.

Lithium-Ionen-Akkus

Das Battery Design Module bietet modernste Modelle für Lithium-Ionen-Akkus. Sie finden verschiedene Mechanismen für die Alterung und hochrealistische Modelle, wie das Newman-Modell, das in 1D, 2D und 3D verfügbar ist. Sie können nicht nur die elektrochemischen Reaktionen allein modellieren, sondern diese auch mit dem Wärmetransport kombinieren und die strukturellen Spannungen und Dehnungen berücksichtigen, die durch die Ausdehnung und Kontraktion bei der Lithiumeinlagerung entstehen. Das Modul bietet auch Funktionen zur Erstellung heterogener Modelle, die die tatsächlichen Formen des Porenelektrolyts und der Elektrodenpartikel beschreiben. Die Untersuchung der Mikrostruktur eines Akkus trägt zu einem tieferen Verständnis der Akkuleistung bei.

Blei-Säure-Akkus

Für die Simulation von Blei-Säure-Akkus enthält die Software die abhängigen Variablen für das Ionenpotenzial und die Zusammensetzung eines Elektrolyten sowie das elektrische Potenzial und die Porosität in den Elektroden. Das Modell berücksichtigt die Auflösung und Ablagerung von Feststoffen. Mit den integrierten Funktionen kann auch untersucht werden, wie sich verschiedene Konstruktionsparameter auf die Leistung des Akkus auswirken, z. B. die Dicke und Geometrie der Elektroden und Separatoren, die Geometrie der Stromabnehmer und -zuführungen und vieles mehr.

Detailansicht eines Modells einer Vanadium Redox-Flow-Batterie bei drei verschiedenen Konzentrationen.

Ein transparentes Modell eines Lithium-Ionen-Akkus, das die Temperatur in der Cividis-Farbtabelle anzeigt.

Generische Akkus

Das Arbeitstier des Battery Design Module ist das detaillierte Modell der Akku-Einheitszellen mit positiver Elektrode, negativer Elektrode und Separator. Mit der generischen Beschreibung poröser Elektroden können Sie beliebig viele konkurrierende Reaktionen in einer Elektrode definieren und diese auch an einen Elektrolyten beliebiger Zusammensetzung koppeln. Das Modul ermöglicht die Beschreibung des Porenelektrolyten und des Elektrolyten im Separator für beliebige Zusammensetzungen mit der Theorie für konzentrierte, verdünnte (Nernst-Planck-Gleichungen) und unterstützende Elektrolyte in Kombination mit der Theorie poröser Elektroden.

Was Sie mit dem Battery Design Module modellieren können

Führen Sie verschiedene elektrochemische Analysen für Akkus mit der COMSOL^® Software durch.

Ein 3D-Modell, das Stromlinien in einem dunkelblauen bis weißen Farbverlauf zeigt, die sich durch violette, klümpchenartige Gebilde bewegen.

Heterogene und homogene Modelle

Modellieren Sie die detaillierte Struktur der porösen Elektroden und des Porenelektrolyten für eine repräsentative Einheitszelle eines Akkus.

Ein 1D-Plot, der den Potentialabfall der SEI-Schicht bei 1C zeigt, mit dem Potentialabfall über der SEI-Schicht auf der y-Achse und der Zykluszahl auf der x-Achse.

Bildung von Solid Electrolyte Interfaces (SEI)

Modellieren Sie die Alterung in einer negativen Graphitelektrode eines Lithium-Ionen-Akkus.

Eine 1D-Darstellung der diffusionsinduzierten Spannung mit dem Druck auf der y-Achse und der normalisierten Partikelgröße auf der x-Achse.

Diffusionsbedingte Spannungen

Berechnen Sie Interkalationsspannungen und -dehnungen, die durch Ausdehnung und Kontraktion verursacht werden.¹

Eine vergrößerte Ansicht eines Modells mit einem gelb dargestellten Zylinder, der von einem Wärmebildkamera-Farbverlauf umgeben ist.

Kurzschluss

Untersuchen Sie interne Kurzschlüsse in Akkus.

Ein Modell eines Akkupacks mit 12 zylindrischen Akkus, deren Temperatur in Regenbogenfarben dargestellt ist.

Pseudo-Dimension

Modellieren Sie die Interkalation von Lithium in die Elektrodenpartikel.

Ein 1D-Kapazitätsplot mit der Konzentration auf der y-Achse und dem Abstand zur Elektrodenoberfläche auf der x-Achse.

Doppelschicht-Kapazität

Modellieren Sie elektrochemische Kondensatoren und Nanoelektroden.

Ein zylindrisches Modell eines Akkus in Kupfer und Schwarz, wobei die Strömung unter dem Akku als Stromlinien im Farbschema einer Wärmebildkamera dargestellt ist.

NiMH- und NiCd-Akkus

Modellieren Sie Akkus mit alkalischen binären (1:1) Elektrolyten.

Der Bleistrom wird in Regenbogenfarben dargestellt.

Flüssigbatterien

Simulieren Sie Blei-Säure- und Vanadium Redox-Flow-Batterien (RFB) während eines angewandten Lade-Entlade-Lastzyklus.

Ein 1D-Plot zeigt den relativen Kapazitätsverlust.

Metallabscheidung

Spezifizieren Sie die Kapazität der Host-Elektrode, um Lithium-Plating bei hohen Ladegeschwindigkeiten zu vermeiden.

Ein 1D-Diagramm mit der Porosität auf der y-Achse und der dimensionslosen Dicke der positiven Elektrode auf der x-Achse.

Elektrolytzersetzung

Modellierung chemischer Reaktionen unter dem Einfluss des Speziestransports in porösen Medien.

Ein 1D-Diagramm, das die simulierte Impedanz NCA im Vergleich zur Referenz in blau und die experimentelle Impedanz NCA im Vergleich zur Referenz in grün zeigt, wobei die beiden Linien bis 0,0016 gut übereinstimmen.

Impedanzspektroskopie

Untersuchen Sie das frequenzabhängige Verhalten eines Akkus mit physikalischen Modellen.

Ein 1D-Diagramm mit dem Zellpotenzial in Volt auf der y-Achse und der Zeit in Sekunden auf der x-Achse sowie Linien für die modellierte Zellspannung in blau und die experimentelle Zellspannung in grün; die beiden Linien stimmen gut überein.

Vereinfachte Modelle mit Parameterschätzungen

Definieren Sie Akkumodelle auf der Grundlage eines kleinen Satzes vereinfachter Parameter, welche die Ergebnisse von hochgenauen Modellen an experimentelle Ergebnisse anpassen.²

Eine Nahansicht eines Akkupack-Modells, das die Temperatur zeigt.

Thermisches Durchgehen

Simulieren Sie die Ausbreitung des thermischen Durchgehens in einem Akkupack, mithilfe ereignisbasierter Wärmequellen.

Erfordert das Structural Mechanics Module
Bestimmte Funktionen zur Parameterschätzung erfordern möglicherweise das Optimization Module.

Features und Funktionen des Battery Design Module

Das Battery Design Module bietet eine Reihe von spezialisierten Werkzeugen, um das Verhalten von Akkus unter verschiedenen Betriebsbedingungen zu simulieren.

Die COMSOL Multiphysics-Benutzeroberfläche zeigt den Model Builder mit dem hervorgehobenen Knoten Voltage Losses (Spannungsverluste), das entsprechende Einstellungsfenster und ein Akkumodell, das die Temperatur im Farbschema einer Wärmebildkamera visualisiert.

Modellierung von Akkupacks

Für eine schnellere thermische 3D-Analyse von Akkupacks können validierte vereinfachte ("lumped") Modelle für jeden Akku in einem Pack verwendet werden. Sobald sie validiert sind, bieten diese vereinfachten Modelle eine ausgezeichnete Genauigkeit innerhalb eines bestimmten Betriebsbereichs. Das Battery Design Module enthält vereinfachte physikbasierte Modelle, die die elektrochemischen Gleichungen in mehreren Raumdimensionen lösen.

Das Interface Single Particle Battery modelliert die Ladungsverteilung in einem Akku mit je einem separaten Ein-Teilchen-Modell für die positiven und negativen Elektroden des Akkus. Das Interface Lumped Battery verwendet wenige vereinfachte Parameter, um Beiträge für die Summe aller Spannungsverluste im Akku zu addieren, die von Ohmschen Widerständen und optional von Ladungstransfer- und Diffusionsprozessen herrühren. Um mehrere Akkumodelle einzurichten und sie in einer 3D-Geometrie zu verbinden, steht ein Battery Pack Interface für die Modellierung des thermischen Packmanagements zur Verfügung. Dieses Interface wird in der Regel zusammen mit dem Heat Transfer verwendet und bietet thermische Ereignisse, die zur Untersuchung von Problemen der Ausbreitung des thermischen Durchgehens verwendet werden können. Zusätzlich können Sie mit dem Interface Battery Equivalent Circuit ein Akkumodell definieren, das auf einer beliebigen Anzahl von elektrischen Schaltungselementen basiert.

Die COMSOL Multiphysics Benutzeroberfläche zeigt den Model Builder mit dem hervorgehobenen Knoten Porous Electrode Reaction (Poröse Elektrodenreaktion), das entsprechende Einstellungsfenster und eine 1D-Darstellung der Elektrolytkonzentration für das Modell.

Poröse Elektroden mit beliebig vielen elektrochemischen Reaktionen

Akkusysteme und -chemien werden oft durch unerwünschte Nebenreaktionen an den Elektroden belastet. Sie können deren Auswirkungen auf Lade- und Entladezyklen sowie auf die Selbstentladung untersuchen.

Zu den typischen Nebenreaktionen, die Sie modellieren können, gehören die Wasserstoff- und Sauerstoffentwicklung, Solid Electrolyte Interface-Wachstum (SEI), Metallbeschichtung, Metallkorrosion und Graphitoxidation.

Die COMSOL Multiphysics-Benutzeroberfläche zeigt den Model Builder mit dem hervorgehobenen Knoten Frequency Domain Perturbation (Störung im Frequenzbereich), das entsprechende Einstellungsfenster und eine 1D-Darstellung der Impedanz für das Modell.

Vollständig transiente und impedanzspektroskopische Studien

Akkusysteme sind meist geschlossene Systeme, die während des Betriebs nur schwer zu analysieren sind. Um einen Akku während des Betriebs zu charakterisieren, können transiente Methoden wie Potentialsprung, Stromunterbrechung und Impedanzspektroskopie eingesetzt werden.

Durch die Durchführung von transienten Studien können Sie Parameterschätzungen für verschiedene Zeitskalen und Frequenzen durchführen, um ohmsche, kinetische, Transport- und andere Verluste zu unterscheiden, die für die Alterung eines Akkus verantwortlich sein können. Mithilfe von instationären Techniken, Modellierung und Parameterschätzung lassen sich sehr genaue Abschätzungen des Gesundheitszustands eines Akkusystems vornehmen.

Die COMSOL Multiphysics-Benutzeroberfläche zeigt den Model Builder mit dem hervorgehobenen Lithium-Ion Battery-Knoten, das entsprechende Einstellungsfenster und das Grafikfenster mit einem kreisförmigen blauen Modell mit einer Spitze in Rot, Orange, Gelb und Grüntönen.

Hochgenaue Modellierung von Akkus

Das Lithium-Ion Battery Interface dient zur Berechnung der Potential- und Stromverteilungen in einem Lithium-Ionen Akku. Es können mehrere interkalierende Elektrodenmaterialien verwendet werden, und Spannungsverluste aufgrund von SEI-Schichten werden ebenfalls berücksichtigt.

Das Interface Battery with Binary Electrolyte dient zur Berechnung der Potenzial- und Stromverteilungen in einem generischen Akku. Es können mehrere interkalierende Elektrodenmaterialien verwendet werden, und Spannungsverluste aufgrund der Filmbildung auf den porösen Elektroden können ebenfalls berücksichtigt werden.

Die COMSOL Multiphysics-Benutzeroberfläche zeigt den Model Builder mit dem hervorgehobenen Knoten Particle Intercalation, das entsprechende Einstellungsfenster und eine 1D-Darstellung der Spannungsprofile für verschiedene Mischungsanteile von NCA und LMO für das Modell.

Interkalierende Spezies und Transport in bimodalen Porenstrukturen

Die Partikel in porösen Akku-Elektroden können entweder fest (Li-Ionen-Elektrode) oder porös (Blei-Säure, NiCd) sein. Bei festen Partikeln besteht die Porosität in der Elektrode zwischen den gepackten Partikeln. Innerhalb dieser Partikel können jedoch Transport und Reaktionen mit kleinen Atomen wie Wasserstoff- und Lithiumatomen stattfinden. Diese interkalierenden Spezies werden mit einer separaten Diffusions-Reaktions-Gleichung modelliert, die entlang des Radius der Feststoffpartikel definiert ist. Der Austausch der interkalierenden Spezies ist an der Oberfläche der Partikel mit den Spezies gekoppelt, die im Porenelektrolyt zwischen den Partikeln transportiert werden. Die Interkalationsspezies und -reaktionen sind für Li-Ionen-Akkus vordefiniert, aber Sie können dieselbe Funktionalität auch zur Modellierung der Interkalation von Wasserstoff in z. B. NiMH-Akkus verwenden.

Im Falle von porösen Partikeln erhält man eine bimodale Porenstruktur: eine makroporöse Struktur zwischen den gepackten Partikeln und eine mikroporöse Struktur im Inneren der Partikel. Die Reaktions-Diffusions-Gleichungen in den porösen Teilchen sind ähnlich definiert wie bei der Einlagerung von Spezies in feste Partikel.

Integrierte Thermodynamik und Materialeigenschaften

Die im Modul enthaltene Materialdatenbank enthält Einträge für eine Reihe gängiger Elektroden und Elektrolyte, was den Arbeitsaufwand für die Erstellung neuer Akkumodelle erheblich reduziert.

Einer der zeitaufwändigsten und fehleranfälligsten Schritte bei der Modellierung von Akkusystemen ist die Erfassung der Eingabedaten und deren konsistente Verwendung. So ist es beispielsweise wichtig, dass die positiven und negativen Elektroden in denselben Bezugssystemen definiert sind. Die (Halbzellen-) Gleichgewichtspotentiale der Elektroden müssen mit denselben Referenzelektroden, Elektrolyten und Temperaturen gemessen oder kalibriert werden, bevor sie in dasselbe Akkusystemmodell aufgenommen werden.

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