Electrochemistry Module

Primäre, sekundäre und tertiäre Stromdichteverteilung

COMSOL Multiphysics^® und das Electrochemistry Module stellen dem Anwender fertige, benutzerfreundliche Interfaces zur Modellierung elektrochemischer Prozesse zur Verfügung. Die Grundfunktionalität wird von den Interfaces Primary Current Distribution, Secondary Current Distribution und Tertiary Current Distribution abgedeckt. Das Interface Primary Current Distribution verwendet das Ohmsche Gesetz zusammen mit einer Ladungsbilanz, um den Stromfluss sowohl im Elektrolyten als auch in den Elektroden zu modellieren. Es wird davon ausgegangen, dass Verluste im elektrischen Potential aufgrund elektrochemischer Reaktionen vernachlässigbar sind. Die Interfaces Secondary Current Distribution und Tertiary Current Distribution beinhalten eine Electrode Reaction Funktion mit integrierten kinetischen Tabellen und Butler-Volmer Ausdrücken. Alle drei Interfaces berücksichtigen das elektrische Potential als Teil der elektrochemischen Reaktionskinetik und das Interface Tertiary Current Distribution zusätzlich den Transport chemischer Spezies.

Das Modul enthält auch ein Chemistry Interface, das es erlaubt, mehrere Spezies und Elektrodenreaktionen sowie allgemeine chemische Reaktionen zu definieren. Darüber hinaus kann das Interface automatisch Mischungs- und thermodynamische Eigenschaften, einschließlich Gleichgewichtspotentiale, berechnen. Die durch diese Funktionen definierten Variablen, wie lokale Stromdichten und Gleichgewichtspotentiale, können mit den Interfaces Electrochemistry, Chemical Species Transport, Heat Transfer oder Fluid Flow gekoppelt werden.

Studientypen

Die COMSOL Multiphysics^® Software bietet eine große Auswahl an vordefinierten Studientypen, die verwendet werden können, um verschiedene Analysen in einem Modell durchzuführen. Die vordefinierten Studien variieren je nach den physikalischen Interfaces, die der Benutzer in eine Simulation einbezieht. Das Electrochemistry Module enthält verschiedene Studientypen für dynamische Simulationen wie beispielsweise Cyclovoltammetrie-Analysen und Abschaltmessungen. Der Studientyp Cyclic Voltammetry kann zusammen mit dem Interface Electroanalysis verwendet werden, um zeitabhängige Voltammetrieexperimente zu berechnen.

Es ist auch möglich, die Elektrochemische Impedanzspektroskopie (EIS) vollständig physikbasiert zu modellieren. Darüber hinaus gibt es viele spezialisierte Studien für bestimmte – und Kombinationen verschiedener – physikalischer Effekte, die alle Gleichungs- und Lösereinstellungen enthalten, die an die physikalischen Definitionen des Modells angepasst sind.

Concentrated Electrolyte Transport

The Concentrated Electrolyte Transport interface can be used for modeling transport in electrolyte solutions containing an arbitrary number of charged and uncharged species. This electrochemistry interface is based on concentrated solution theory, where the transport equations are defined using binary Maxwell–Stefan diffusion coefficients under the assumption of local electroneutrality. In contrast to the Nernst–Planck equations, concentrated solution theory does not assume that electrolyte species are diluted in a neutral solvent of constant concentration. Typical applications include ionic liquids, molten salts, and highly concentrated solutions with significant concentration gradients of the charge-carrying species. This interface is well suited for analyzing multicomponent transport behavior in advanced electrochemical systems.

Simulation-Apps

Der Application Builder, der in COMSOL Multiphysics^® enthalten ist, ermöglicht es den Anwendern, Benutzeroberflächen auf der Basis eines beliebigen existierenden Modells zu erstellen. Mit diesem Werkzeug können Apps für bestimmte Zwecke mit genau definierten Ein- und Ausgaben erstellt werden. Apps können für viele verschiedene Zwecke eingesetzt werden, z. B. zur Automatisierung schwieriger und sich wiederholender Aufgaben, zur Erstellung und Aktualisierung von Berichten und zur Bereitstellung benutzerfreundlicher Schnittstellen für Laien. Darüber hinaus können Apps den Zugang zu Modellen innerhalb einer Organisation verbessern und Organisationen dabei helfen, einen Wettbewerbsvorteil zu erlangen.

Die Anwendungsbibliotheken enthalten auch fertige Apps zur Simulation und Demonstration der Cyclovoltammetrie und zum Verständnis von EIS-, Nyquist- und Bode-Plots.

Transport chemischer Spezies

In vielen reaktiven Systemen und in unmittelbarer Nähe der Elektroden ist die Elektrolytkonzentration nicht konstant. In diesen Fällen müssen neben der Migration auch Diffusions- und Konvektionseffekte berücksichtigt werden. Für die Beschreibung des Transports chemischer Spezies im Elektrolyten steht eine integriertes Tertiär Current Distribution, Nernst-Planck Interface zur Verfügung. Dieses Interface enthält auch Funktionen zur Beschreibung von Stofftransporteffekten, die aufgrund von Diffusion, Migration und Konvektion auftreten.

Elektroanalyse

Das Electrochemistry Module enthält ein spezielles Electroanalysis Interface, das Gleichungen, Randbedingungen und Ratenausdrücke für die Modellierung des Stofftransports von verdünnten Spezies in Elektrolyten enthält. Das Interface ermöglicht dies durch die Verwendung der Konvektions-Diffusions-Gleichung, die die Konzentrationen der elektroaktiven Spezies löst.

Das Interface ist für Elektrolytlösungen geeignet, die große Mengen eines inerten „Leitelektrolyten“ enthalten. Ohmsche Verluste werden als vernachlässigbar angenommen. Das Physik-Interface enthält auch spezielle Funktionen für die Modellierung von Problemen der Cyclovoltammetrie und verschiedener elektroanalytischer Techniken.

Elektrophoretischer Transport

Ein spezialisiertes Electrophoretic Transport Interface wird verwendet, um den elektrophoretischen Transport einer beliebigen Anzahl von Spezies in einem wässrigen System zu lösen, die Potentialgradienten unterliegen. Das Interface koppelt den Diffusions-Migrations-Konvektions-Transport mehrerer Spezies in wässrigen Systemen, um beispielsweise mehrere schwache Säure-Base-Gleichgewichte, Pufferlösungen, pH-abhängige Dissoziation und effektive Mobilitäten zu modellieren. Darüber hinaus können verschiedene Formen der Elektrophorese wie Zonenelektrophorese, Isotachophorese, isoelektrische Fokussierung und Elektrophorese mit beweglicher Grenzschicht ("moving boundary electrophoresis", MBE) simuliert werden.

Aqueous Electrolyte Transport

For modeling dilute, water-based electrolytes containing weak acids, weak bases, ampholytes, and complex species, the Aqueous Electrolyte Transport interface offers an efficient approach that is well suited for applications such as mechanistic corrosion modeling, electrochemical models of biological systems, and electrochemical sensor modeling. It computes electric potential and species concentrations using the Nernst–Planck equations with diffusion, migration, and convection, together with electroneutrality and the self-ionization of water. By treating weak and complex species through equilibrium reactions, the interface reduces the number of dependent variables and simplifies model setup. The Aqueous Electrolyte Transport interface is available in all electrochemical engineering products: the Battery Design Module, Fuel Cell & Electrolyzer Module, Electrodeposition Module, Corrosion Module, and Electrochemistry Module.

Erweiterte Multiphysik-Analysen

Die COMSOL^® Software ermöglicht Kopplungen zwischen den Physik Interfaces verschiedener Module. Mit den Fähigkeiten von COMSOL Multiphysics^® können die Interfaces des Electrochemistry Module nahtlos mit den Fluid Flow Interfaces gekoppelt werden, um Phänomene wie elektroosmotischen Fluss oder Hydrodynamik zu simulieren. Sie können auch mit den Interfaces für Wärmetransport gekoppelt werden, um Wärmequellen wie Aktivierungsverluste und Joulesche Erwärmung und viele andere elektrochemische Phänomene zu simulieren.