Что означает моделирование литиевой батареи? Советы по моделированию литиевых батарей?

В области моделирования литий-ионных аккумуляторов модель Ньюмана и ее производная модель занимают доминирующее положение. Поскольку такие модели основаны на гомогенизации пористых структур, пользователям больше не нужно подробно описывать трехмерную геометрию пористых электродов.

В модели гомогенизация относится к приблизительному представлению пористой структуры путем преобразования реальной пористой структуры в однородный смешанный раствор, состоящий из твердых частиц (синяя часть в верхнем левом углу) и поровых электролитов (зеленая часть). Блочная толстая пластина. Одним из результатов использования гомогенной характеристики является то, что поровые электролиты (ионные проводники) и проводящие частицы (электронные проводники) в электродах определяются в одной и той же геометрической области. После этого мы используем такие переменные, как пористость и степень извилистости, для описания эффективных свойств заряда и массопереноса, а затем исследуем значительное влияние структуры пор и частиц на геометрическую форму.

Модель гомогенного пористого электрода содержит реакцию переноса заряда между материалом электрода и пористым электролитом. Эта реакция, реализуя передачу тока, также действует как источник и сток тока в области электрода и электролита и обеспечивает баланс между ними. Реакция аналогична реакции между двумя химическими веществами в растворе. Реакция переноса заряда катода является источником равновесного тока проводника, а также является стоком, используемым для поддержания баланса тока порового электролита. Используя указанные выше источник и сток, в соответствии с законом Фарадея и стехиометрическим коэффициентом гомогенной реакции переноса заряда, можно выполнить расчет материального баланса в модели.

Эти модели пористых электродов полезны для моделирования и моделирования пористых электродов в различных электрохимических ячейках. Но эффективны ли эти модели при описании детального проектирования пористой структуры литий-ионного аккумулятора? Мы с Томми Завалисом (специалистом по аккумуляторным батареям, бывшим сотрудником COMSOL, теперь клиентом COMSOL) обсудили этот вопрос во время перерыва на чай и пришли к выводу, что ответ на этот вопрос можно будет узнать только в том случае, если мы сравним однородную модель с гетерогенной. С этой целью мы создали гетерогенную модель, чтобы проверить эффективность модели Ньюмана для идеального трехмерного моделирования пористого электрода.

Создать неоднородную модель

В гетерогенной модели мы четко описываем проводящие частицы и поровые электролиты как трехмерные структуры и рассматриваем их как две отдельные области при моделировании пространства.

Сохранение тока, вызванное миграцией ионов, ограничено областью электролита в порах, в то время как сохранение тока проводящих частиц ограничено областью твердого электрода. Массоперенос ионов определяется только в области порового электролита. В то же время на поверхности твердой частицы есть граница. На этой границе другие вещества в ионе или растворе могут реагировать посредством фазового переноса электронов. Вышеупомянутая модель резко контрастирует с однородной моделью, потому что в однородной модели материальный баланс и реакция определяются в расчетной области всего однородного электрода.

При моделировании металлического лития, образующегося на поверхности твердой частицы, предполагается, что он распространяется только в области частицы, где поверхность частицы действует как внешняя граница.

Теперь мы можем начать сравнение модели Ньюмана и гетерогенной модели, которую можно более эффективно использовать для описания точной трехмерной модели. Модельный эксперимент очень прост: мы построили идеальную ячейку с идеальной трехмерной пористой структурой. Левая и правая пористые структуры эквивалентны отрицательному и положительному полюсам литий-ионных батарей. Окончательная геометрическая модель показана на рисунке ниже, где линия тока используется для иллюстрации протекания тока в свободном электролите и в порах электролита. Электродные частицы состоят из эллипсоидов с разными направлениями по длинной оси, образующих проводящие массивы. Электролиты содержатся в промежутках между частицами.

Распределение плотности тока переноса заряда (А / м2) в положительном и отрицательном полюсах соответствует правой и левой геометрическим структурам и цветным обозначениям соответственно.

На рисунке выше показано абсолютное значение плотности тока, вызванное переносом заряда на поверхности твердых частиц во время разряда. На рисунке показано, что использование положительных и отрицательных электродов на стороне коллектора ниже, чем на стороне свободного электролита (или разделительной мембраны).

Мы можем получить два различных распределения пористости в направлении длины электрода, вращая продольную ось частиц, при сохранении отношения пустотности к твердой части (пористости), как правило, неизменным. Поскольку модель Ньюмана использует только общую среднюю пористость в качестве входного условия, результаты расчетов не меняются при изменении структуры электрода, как описано выше.

Если электрод на Рисунке 3 повернуть на 180 °, например положительный электрод, где стрелка расположена на следующем рисунке, распределение плотности тока изменится, но это изменение будет очень небольшим (контраст между цветными диаграммами двух цифры показывают это). Даже использование спектроскопии электрохимического импеданса затрудняет обнаружение небольших различий в этом распределении тока, как обсуждается ниже.

Когда положительный и отрицательный полюса поворачиваются горизонтально на 180 °, распределение плотности тока правого положительного и левого отрицательного полюсов. Рекомендуется сравнить наблюдения с рисунком 3 (выше упомянуто только положительное вращение полюса).

Когда мы с Томми пили кофе и болтали, мы предположили, что можем разделить подпроцессы электродов в разных временных масштабах, используя метод, аналогичный спектроскопии электрохимического сопротивления (EIS). Он может улавливать различия в распределении тока, вызванные разными геометрическими структурами. По этой причине мы используем модель неоднородной геометрии и однородную модель Ньюмена для моделирования эксперимента EIS.

Страница содержит содержимое машинного перевода.