Die COMSOL® Produktpalette

Batteriesysteme verstehen, designen und optimieren

Software zur Modellierung von Elektrodenkinetik, Ionentransport, Ladungserhaltung, Massentransport, Strömung und Wärmetransport in 1D, 2D und 3D

Die Modellierung von Batterien erfordert je nach Zweck der Simulationen unterschiedliche Detailstufen. Das Battery Design Module ist ein Add-On zur COMSOL Multiphysics® Software, welches Beschreibungen über einen breiten Skalenbereich umfasst, von den detaillierten Strukturen in der porösen Elektrode des Akkus bis hin zur Größenordnung des Akkupacks mitsamt der thermischen Managementsysteme.

Die Beschreibungen umfassen physikalische Phänomene wie den Transport von geladenen und neutralen Spezies, Ladungsbilanzen, chemische und elektrochemische Reaktionen, Joule'sche Erwärmung und thermische Effekte aufgrund elektrochemischer Reaktionen, Wärmetransport, Strömungen von Fluiden sowie andere physikalische Phänomene, die für das Verständnis eines Batteriesystems wichtig sind. Für bekannte und verifizierte Systeme stehen Lumped-Modelle zur Verfügung, die auf physikalischen Grundlagen oder auf Ersatzschaltbildern basieren können.

Beachten Sie, dass sich der Name dieses Produkts mit der Veröffentlichung der Version 5.6 vom Batteries & Fuel Cells Module zum Battery Design Module geändert hat, wobei alle Funktionen beibehalten wurden. Für Benutzer, die Brennstoffzellen und Elektrolyseure modellieren, ist ein neues Fuel Cells & Electrolyzers Module verfügbar.

Was Sie mit dem Battery Design Module modellieren können

Lithium-Ionen-Akkusysteme

Der Lithium-Ionen-Akku ist aufgrund seiner hohen Leistungs- und Energiedichte der beliebteste Akku für portable Anwendungen. Das Battery Design Module bietet modernste Modelle für Lithium-Ionen-Akkus. Das sogenannte Newman-Modell ist im Modul mit den neuesten Erkenntnissen aus der wissenschaftlichen Literatur vordefiniert. So sind unter anderem verschiedene Mechanismen für die Alterung eingebaut, wie z. B. Wachstum des SEI, Metallplattierung, Kurzschluss und Elektrolytdegradation. Diese High-Fidelity-Modelle sind für die 1D-, 2D- und vollständige 3D-Modellierung verfügbar, mit einer zusätzlichen Pseudo-Dimension für die Modellierung der Interkalation von Lithium in den Elektrodenpartikeln.

Zusätzlich zur Modellierung der elektrochemischen Reaktionen wird bei der Kombination mit dem Wärmetransport eine vollständige Energiebilanz hinzugefügt. In Kombination mit dem Structural Mechanics Module können Sie auch die strukturellen Spannungen und Dehnungen berücksichtigen, die durch die Ausdehnung und Kontraktion aufgrund der Lithiumeinlagerung entstehen.

Für den neuesten Trend in der Batteriemodellierung enthält das Modul auch Funktionalität für heterogene Modelle, bei denen die detaillierte Struktur der porösen Elektroden und des Porenelektrolyten für eine repräsentative Einheitszelle eines Akkus modelliert werden kann. Solche Modelle können für ein tieferes Verständnis der Auswirkungen der Mikrostruktur eines Akkus verwendet werden.

Bleiakku-Systeme

Das Battery Design Module enthält eines der fortschrittlichsten Batteriemodelle zur Simulation von Bleiakkus. Die Software enthält die abhängigen Variablen für das Ionenpotential im Elektrolyten (sowohl Separator- als auch Porenelektrolyt), das elektrische Potential in den Festelektroden (und Stromabnehmern/Speisern), die Zusammensetzung des Elektrolyten und die Porosität der Elektroden. Das Modul enthält auch eine Datenbank mit thermodynamischen und kinetischen Parametern für den Bleiakku.

Eine typische Anwendung ist die Untersuchung der Auswirkung von Designparametern auf die Leistung des Akkus, wie z. B. die Dicke und Geometrie der Elektroden und Separatoren, die Geometrie der Stromabnehmer und Zuführungen, die Porosität der Elektroden, die Geometrie oder die Zusammensetzung des Separators, um nur einige zu nennen.

Die Studien, die durchgeführt werden können, umfassen vollständige transiente Studien, einschließlich des Effekts der Doppelschichtkapazität, sowie Impedanzspektroskopie-Studien im Frequenzbereich.

Generische Akkusysteme

Das Kernstück des Battery Design Module ist das detaillierte Modell der Akku-Einheitszellen mit positiver Elektrode, negativer Elektrode und Separator. In den Elektroden steht der Porenelektrolyt in Kontakt mit dem Elektrolyten im Separator.

Die poröse Struktur in den Elektroden ist homogenisiert, d. h. der Porenelektrolyt und das feste Elektrodenmaterial sind überall im Raum vorhanden, und ein Volumenanteil bestimmt die jeweiligen Eigenschaften der Phasen. Die Transportgleichungen und die elektrochemischen und chemischen Reaktionen werden mit der sogenannten porösen Elektrodentheorie behandelt, wie sie von Newman in dem Buch Electrochemical Systems ausgearbeitet wurde.

Mit der generischen Beschreibung poröser Elektroden kann man beliebig viele konkurrierende Reaktionen in einer Elektrode definieren und diese auch an einen Elektrolyten beliebiger Zusammensetzung koppeln. So enthält die Anwendungsbibliothek des Moduls beispielsweise ein Tutorialmodell eines Vanadium-Akkus.

Der Porenelektrolyt und der Elektrolyt im Separator können für jede Zusammensetzung mit der Theorie für konzentrierte Elektrolyte, verdünnte Elektrolyte (Nernst-Planck-Gleichungen) und Stützelektrolyte beschrieben werden.

Eine spezielle Version für Akkus mit binären Elektrolyten ist als vordefinierte Funktionalität verfügbar. Sie können damit NiMH- und NiCd-Batterien modellieren und erlauben die Einlagerung von Materialien wie z. B. Wasserstoff in der festen Phase.

Die Multiphysik-Benutzeroberfläche zeigt die Einstellungen für die poröse Elektrode und ein Lithium-Ionen-Akkumodell mit der im Cividis-Farbschema visualisierten Nutzung. Stromverteilung und Elektrodenauslastung in einer großen Lithium-Ionen-Akku-Pouch-Zelle. Das Modell ist ein vollständiges 3D-Newman-Modell mit einer vierten Dimension in jedem Punkt der Elektroden, die den Radius der Elektrodenpartikel darstellt.
Ein Bleiakku-Modell mit Volumenplots für die Größe der Elektrodenstromdichte, in einem Farbverlauf von weiß nach dunkelviolett, und das Elektrolytpotenzial, in einem Farbverlauf von dunkelblau nach weiß. Stromdichte und Potentialverteilung in einer Gitterelektrode in einem Bleiakku.
Die COMSOL Multiphysics UI zeigt die Tertiärstromverteilung, die Nernst-Planck-Einstellungen und einen Oberflächenplot der Konzentration in einem Vanadium-Redox-Akkumulator. Dieses 2D-Tutorial eines Vanadium-Redox-Akkumulators demonstriert, wie ein tertiäres Stromverteilungsmodell für eine Ionenaustauschermembran mit tertiären Stromverteilungsmodellen für zwei verschiedene freie Elektrolyt-Kompartimente einer Flüssigbatterie gekoppelt werden kann. Das Modell berücksichtigt insgesamt 7 verschiedene Ionen.

Features und Funktionalitäten des Battery Design Module

Poröse Elektroden mit einer beliebigen Anzahl elektrochemischer Reaktionen

Batteriesysteme und -chemien sind oft durch unerwünschte Nebenreaktionen an den Elektroden belastet. Sie können deren Einfluss auf Lade- und Entladezyklen sowie auf die Selbstentladung untersuchen. Es gibt eine Datenbank für vordefinierte Reaktionen, aber Sie können auch beliebige Nebenreaktionen an einer Elektrode hinzufügen.

Typische Nebenreaktionen, die Sie modellieren können, sind die Wasserstoffentwicklung, die Sauerstoffentwicklung, das Wachstum einer Festelektrolyt-Grenzfläche, Metallplattierung, Metallkorrosion und Graphitoxidation.

Interkalierende Spezies und Transport in bimodalen Porenstrukturen

Die Partikel in porösen Batterieelektroden können entweder fest (Li-Ionen-Elektrode) oder porös (Blei-Säure, NiCd) sein.

Im Falle von festen Partikeln befindet sich die Porosität in der Elektrode zwischen den gepackten Partikeln. In den Feststoffpartikeln können jedoch Transport und Reaktionen für kleine Atome wie Wasserstoff- und Lithiumatome stattfinden. Diese interkalierenden Spezies werden mit einer separaten Diffusions-Reaktions-Gleichung modelliert, die entlang des Radius der Feststoffpartikel definiert ist. Der Fluss der interkalierenden Spezies ist an der Oberfläche der Partikel mit den Spezies gekoppelt, die in dem Porenelektrolyt zwischen den Partikeln transportiert werden. Die Interkalationsspezies und -reaktionen sind für Li-Ionen-Akkus vordefiniert, Sie können jedoch die gleiche Funktionalität verwenden, um die Interkalation von Wasserstoff in z.B. NiMH-Akkus zu modellieren.

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 Partikeln sind in ähnlicher Weise definiert wie für die Interkalation von Spezies in festen Partikeln. Dies wird anhand des NiCd-Tutorial-Modells in der Anwendungsbibliothek des Moduls veranschaulicht.

Vollständig transiente und impedanzspektroskopische Untersuchungen

Akkusysteme sind oft geschlossene Systeme, die während des Betriebs nur schwer zu untersuchen sind. Transiente Methoden wie Potentialsprung, Stromunterbrechung und Impedanzspektroskopie können verwendet werden, um einen Akku während des Betriebs zu charakterisieren.

Das Prinzip von transienten Studien ist, dass sie in der Lage sind, Prozesse auf verschiedenen Zeitskalen zu trennen. Zum Beispiel sind Kinetik und Diffusion normalerweise Prozesse mit unterschiedlichen Zeitkonstanten. Sie würden daher Impedanzeffekte bei unterschiedlichen Frequenzen und Zeitskalen ergeben.

Durch die Durchführung von transienten Studien können wir die Parameterschätzung auf verschiedenen Zeitskalen und Frequenzen durchführen, um ohmsche, kinetische, Transport- und andere Verluste zu unterscheiden, die für die Alterung des Akkus verantwortlich sein können. Mit Hilfe von transienten Techniken, Modellierung und Parameterschätzung können wir sehr genaue Abschätzungen über den Gesundheitszustand eines Akkusystems vornehmen.

Vereinfachte und Lumped-Akkusysteme

Die thermische Analyse von Akkupacks kann zeitaufwendig sein, wenn wir vollständige 3D-Modelle für die Elektrochemie verwenden. Eine Alternative ist die Verwendung von validierten Lumped (vereinfachten) Modellen für jede Batterie in einem Pack. Einmal validiert, können die Lumped-Modelle eine ausgezeichnete Genauigkeit innerhalb eines bestimmten (möglicherweise begrenzten) Betriebsbereichs bieten.

Das Battery Design Module enthält Lumped-Modelle, welche auf physikalischen Grundlagen basieren und die elektrochemischen Gleichungen in 1D + einer Pseudo-Dimension (Partikel-Dimension), 0D + einer Pseudo-Dimension und reine 0D-Modelle, wie z. B. Ersatzschaltbildmodelle, lösen.

Ein Mehrkomponentenmodell kann die gesamte Bandbreite an Genauigkeit enthalten, von detaillierten 3D-Modellen bis hin zu Lumped-0D-Modellen. Die Modelle sind dann als separate Komponenten in einer Mehrkomponenten-Modelldatei enthalten. So ist es sehr einfach, zwischen Lumped-Modellen zu wechseln und detaillierte Modelle zu verwenden, wenn die Lumped-Modelle für einen neuen Betriebsbereich aktualisiert und validiert werden müssen.

Integrierte Thermodynamik und Materialeigenschaften für Akkusysteme

Einer der zeitaufwändigeren und fehleranfälligeren Schritte bei der Modellierung von Akkusystemen ist die Erfassung und konsistente Verwendung der Eingabedaten. So ist es z.B. wichtig, dass die positive und negative Elektrode im selben Bezugssystem definiert sind. Die Potentiale der Gleichgewichtselektroden (Halbzellen) müssen mit den selben Referenzelektroden, Elektrolyten und Temperaturen gemessen oder kalibriert werden, bevor sie in dasselbe Akkusystemmodell aufgenommen werden.

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

Die COMSOL Multiphysics Benutzeroberfläche mit den Einstellungen für die Reaktion der porösen Elektrode und einem 1D-Plot der Elektrolytkonzentration für einen Bleiakku. Die positive Elektrode in einem Bleiakku kann unter der Sauerstoffentwicklung-Nebenreaktion leiden, welche in der Benutzeroberfläche hinzugefügt wird. Die Grafik zeigt die Elektrolytsalzkonzentration (sowohl Porenelektrolyte als auch Separator) als Funktion der Zeit während einer Entladung bei 20C.
Die COMSOL Multiphysics Benutzeroberfläche zeigt die Einstellungen für die Reaktion der porösen Elektrode und einen 1D-Plot des elektrischen Potentials in einer Nickel-Cadmium-Batterie. Modell eines NiCd-Akkus mit detaillierter Elektrochemie und Transport von Wasserstoff-Ionen in der porösen Mikrostruktur.
Die COMSOL Multiphysics-Benutzeroberfläche zeigt die Einstellungen für die Partikel-Interkalation und ein 1D-Nyquist-Diagramm der simulierten und experimentellen Impedanz gegenüber der Referenz für einen Lithium-Ionen-Akku. Parameterschätzung der AC-Impedanzspektroskopie mit einem vollständigen physikbasierten (Newman) Modell für den Lithium-Ionen-Akkumulator. Das Battery Design Module enthält die Impedanzspektroskopie als vordefinierte Studie.
Die COMSOL Multiphysics-Benutzeroberfläche mit den Einstellungen für Spannungsverluste und einem Akkupack-Modell im Grafikfenster, wobei die Temperatur mit der Wärmebildkamera-Farbtafel visualisiert wird. Vereinfachtes physikbasiertes elektrochemisches Modell für einen Lithium-Ionen-Akku kombiniert mit einer 3D-Wärmetransport-Analyse. Jede Akku-Einheitszelle auf der Rückseite erhält ein vereinfachtes temperaturabhängiges elektrochemisches Modell.
Die COMSOL Multiphysics-Benutzeroberfläche mit den Einstellungen für die Reaktion der porösen Elektrode, einem Akkupack-Modell im Grafikfenster und einer Liste der Materialien, die rechts hinzugefügt werden können. Die Funktionen für das Elektrodenpotential in Abhängigkeit vom Ladezustand (SOC) für verschiedene Elektroden und die Leitfähigkeiten für Elektrolyte sowie für elektronische Leiter können alle aus der eingebauten Datenbank für eine Reihe von Chemien entnommen werden.

Jedes Unternehmen und jeder Simulationsbedarf ist einzigartig.

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