電化學(xué)模擬的案例
設(shè)計(jì)仿真 | 基于Digimat的電化學(xué)模擬解決方案加速新電池設(shè)計(jì)
圖2.電池性能分析工作流程
總 結(jié)
由于材料與電化學(xué)設(shè)計(jì)、機(jī)械設(shè)計(jì)和制造工藝之間的復(fù)雜權(quán)衡關(guān)系，電池的設(shè)計(jì)和開發(fā)面臨著重大挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)研究方法只能依賴于嘗試不同的設(shè)計(jì)方案，需要花費(fèi)大量的時(shí)間和實(shí)驗(yàn)成本。海克斯康聯(lián)合弗勞恩霍夫應(yīng)用研究院（Fraunhofer ITWM），構(gòu)建電池結(jié)構(gòu)仿真分析的新解決方案，能夠模擬常見鋰離子電池、鋅電池和鈉電池的組成微觀結(jié)構(gòu)、電解質(zhì)、隔膜、活性材料、粘合劑和集電器的電化學(xué)性能，幫助用戶在電池設(shè)計(jì)過程中更好的理解其中的多物理場相互作用，從而更快地推動(dòng)新電池的創(chuàng)新。
fluent 電化學(xué)模擬 模擬鋰電池放電 ￥50
模擬的是Kim論文里面的鋰離子電池放電行為。
使用NTGK模型。使用的電池是15Ah LiMn2O4正極/石墨陽極電池。電池幾何模型如下圖所示。這里主要研究的是在不同放電速率下電池的行為。
包括case 和data 文件
混凝土中鋼筋的電化學(xué)腐蝕模擬 ￥1000
這個(gè)過程是一個(gè)電化學(xué)過程，涉及到陰極和陽極反應(yīng)。鋼筋在環(huán)境中處于陰極的區(qū)域，而氧氣反應(yīng)位于陽極的區(qū)域。在這種電化學(xué)反應(yīng)中，鋼筋表面上的氧化物會(huì)導(dǎo)致鋼筋的腐蝕和銹蝕。
本案例建立了一鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)簡化模型，基于COMSOL軟件中的三次電流分布模塊和固體力學(xué)模塊，仿真模擬得到了鋼筋氧化腐蝕過程中的電化學(xué)場、鋼筋的腐蝕層厚度以及破壞區(qū)域變化，仿真結(jié)果如圖所示：
電化學(xué)場
腐蝕層厚度
腐蝕破壞區(qū)域
感興趣的朋友，歡迎交流模型！
基于comsol的電芯電化學(xué)充放電膨脹分析
一般來說，這樣的建模需要包含兩部分：1）電化學(xué)模型，模擬活性物質(zhì)在充放電過程中的反應(yīng)機(jī)理；2）機(jī)械模型，模擬活性物質(zhì)在嵌鋰后的形變情況。這種膨脹是可逆的。
此次采用comsol軟件的鋰電池模塊和力學(xué)模塊，設(shè)計(jì)了一套從微觀到宏觀的鋰電池電化學(xué)膨脹分析路線。
一、微觀模型建立。
此次構(gòu)建的是一個(gè)NMC電芯隨機(jī)顆粒分布的微觀模型，求解充放電過程中電芯膨脹變化。
電芯充放電下的膨脹變化 。
其中負(fù)極最大位移隨電壓變化如下：
另外我們針對微觀部分 分別求解其力學(xué)性能。
二、多層電芯原位膨脹仿真分析
多層電芯膨脹變化曲線圖。
三、模組膨脹，在前面兩步求解的基礎(chǔ)上，轉(zhuǎn)入abaqus進(jìn)行模組求解。
通過從微觀到宏觀的逐層遞進(jìn)，完成鋰電池電化學(xué)充放電膨脹的分析，以上模型僅供參考。
有興趣的可以加我交流，謝謝 。
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連我這種電化學(xué)小白都能發(fā)SCI！
鋰離子電池電化學(xué)-熱耦合模型
3.1 P2D 電化學(xué)模型與電池?zé)崮Ｐ婉詈?3.2 鋰離子電池集總參數(shù)模型及其與電池?zé)崮Ｐ婉詈?3.3 兩種電池電化學(xué)-熱耦合模型的區(qū)別及應(yīng)用場景
3.4 圓柱形或方形鋰離子電池建模及仿真演示 (二選一)
第二天
下午
4.
COMSOL電化學(xué)耦合案例天花板！
隔離膜中的聚合物骨架不導(dǎo)電子，電化學(xué)反應(yīng)只發(fā)生在固體活性物顆粒與電解液交界面處，其反應(yīng)方程式為：
陽極：LixC6? Li0C6+ xLi++ xe-
陰極：Liy - xFe POC4+ xLi++ xe-? Fi0PO4
1、電化學(xué)模型
基于 Newman 的多孔性電極理論的電化學(xué)模型，其中描述正負(fù)電極顆粒表面電化學(xué)反應(yīng)過程的Buter-Volmer方程為：
j0為交換電流密度，單位為 A·cm-2；η 是局部過電位，單位為 V；αc和 αa是正負(fù)電極電化學(xué)反應(yīng)轉(zhuǎn)移系數(shù)，取 0.5；F 為法拉第常數(shù)，數(shù)值為96485 C·mol-1；R 為理想氣體常數(shù)，數(shù)值為 8.314 J·mol-1· K-1。
交換電流密度表達(dá)式為：
k0為反應(yīng)速率常數(shù)；cs,max為材料最大固相鋰離子濃度；cs,surf為電極和電解液界面處鋰離子濃度。
展開 電阻表面的電化學(xué)遷移失效分析及防護(hù)
SnAgCu釬料焊點(diǎn)電化學(xué)遷移的原位觀察和研究[J]. 電子元件與材料, 2007(06): 64-68.
鋰電池全三維電化學(xué)-熱偶合仿真 ￥600
針對NCM811和磷酸鐵鋰鋰離子電池，在COMSOL Multiphysics多物理場仿真軟件中搭建了全三維電化學(xué)-熱耦合模型，分析了鋰離子電池工作過程中的電極電位分布、電流密度分布和溫度場分布特性。結(jié)果表明，通過建立的全三維電化學(xué)-熱耦合模型可以得到電池局部電位分布和電流密度分布等傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)方法難以獲得的結(jié)果；在鋰離子電池恒流放電過程中，單電極對內(nèi)部存在明顯的溫度梯度，特別是在極耳和極板的過渡區(qū)，電池溫度梯度變化最大；放電過程中電池不同位置的溫升速率并不相同，放電前期，極耳區(qū)域溫升速率最大，遠(yuǎn)離極耳的電池底部區(qū)域溫升速率相對較小，但是，放電后期有增大趨勢。
電化學(xué)儲(chǔ)能電站模型實(shí)測及仿真分析
摘 要：為拓寬電化學(xué)儲(chǔ)能參與電網(wǎng) 調(diào)節(jié)應(yīng)用范圍，充分利用有功、無功調(diào)節(jié)靈活、響應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)，建立電網(wǎng)仿真分析應(yīng)用模型，為電化學(xué)儲(chǔ)能參與電網(wǎng) 調(diào)峰、調(diào)頻、調(diào)壓、暫態(tài)無功支撐等多場景提供分析依據(jù)。開展電化學(xué)儲(chǔ)能電站機(jī)電仿真模型實(shí)測方法研究，基于響應(yīng)特性匹配的參數(shù)辨識(shí)方法及現(xiàn)場實(shí)測特性，建立湖南省內(nèi)某儲(chǔ)能站的仿真分析模型，分析電化學(xué)儲(chǔ)能在改善湖南電網(wǎng)暫態(tài)電壓特性方面的作用，具有一定的工程應(yīng)用價(jià)值。
關(guān)鍵詞：儲(chǔ)能電站;機(jī)電仿真;現(xiàn)場實(shí)測;響應(yīng)指標(biāo);參數(shù)辨識(shí);
0 引言
規(guī)模化儲(chǔ)能為應(yīng)對“新型電力系統(tǒng)”架構(gòu)下，高比例新能源接入帶來的出力間歇性、波動(dòng)性問題提供了新的解決方案，其中電化學(xué)儲(chǔ)能具備良好的四象限有功、無功輸出能力及快速響應(yīng)特性，在參與電網(wǎng)電力電量平衡之外，還可用于調(diào)頻、調(diào)壓及暫態(tài)無功支撐，為電網(wǎng)優(yōu)化控制及穩(wěn)定運(yùn)行提供豐富的調(diào)控手段。因此，電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)在客戶側(cè)節(jié)能、電網(wǎng)側(cè)調(diào)控等領(lǐng)域已得到廣泛應(yīng)用，成為目前儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)研發(fā)創(chuàng)新的重點(diǎn)領(lǐng)域和主要增長點(diǎn)。電化學(xué)儲(chǔ)能應(yīng)用于電網(wǎng) 調(diào)度優(yōu)化控制的前提是需要準(zhǔn)確評估接入電網(wǎng)的調(diào)節(jié)特性，因此對于電化學(xué)儲(chǔ)能建模及模型參數(shù)實(shí)測需求也越來越高。
目前國內(nèi)外有關(guān)電化學(xué)儲(chǔ)能電站的建模尚處于起步階段，根據(jù)研究問題不同，既有采取簡化等值模型的，也有基于功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)(power convert system, PCS)進(jìn)行詳細(xì)建模的。但系統(tǒng)性研究儲(chǔ)能電站模型的文獻(xiàn)較少，特別是針對接入大電網(wǎng)分析的機(jī)電暫態(tài)模型的研究尚未形成體系[1,2,3,4,5]。文獻(xiàn)[6]運(yùn)用戴維南定理和模擬受控電流源這兩種方法對大容量儲(chǔ)能電站進(jìn)行等值仿真建模，并在實(shí)際系統(tǒng)中對儲(chǔ)能電站接入后的并網(wǎng)運(yùn)行特性進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)儲(chǔ)能電站在三相、單相短路故障中表現(xiàn)出的暫態(tài)特性與傳統(tǒng)交流系統(tǒng)均有所區(qū)別。
展開 電化學(xué)儲(chǔ)能介紹及優(yōu)缺點(diǎn)
儲(chǔ)能技術(shù)按照儲(chǔ)存介質(zhì)進(jìn)行分類，可以分為機(jī)械類儲(chǔ)能、電氣類儲(chǔ)能、電化學(xué)類儲(chǔ)能、熱儲(chǔ)能和化學(xué)類儲(chǔ)能。（每個(gè)機(jī)構(gòu)的分類略有不同，但原理相同）
本文介紹電化學(xué)儲(chǔ)能。
電化學(xué)類儲(chǔ)能
截至2021年底，我國已投運(yùn)的儲(chǔ)能項(xiàng)目中，抽水蓄能裝機(jī)占比86.3%，電化學(xué)儲(chǔ)能裝機(jī)12.5%，其它儲(chǔ)能裝機(jī)占比1.2%。
那么，電化學(xué)儲(chǔ)能為何成為了儲(chǔ)能行業(yè)“耀眼的星”？
因?yàn)槠涫艿乩硪蛩赜绊懶。瑧?yīng)用場景相對靈活。隨著成本的持續(xù)下降和商業(yè)化的逐步成熟，電化學(xué)儲(chǔ)能未來具有巨大的發(fā)展?jié)摿Γ? 何為電化學(xué)儲(chǔ)能
電化學(xué)儲(chǔ)能是通過電池所完成的能量儲(chǔ)存、釋放與管理過程。其工作原理是通過介質(zhì)或設(shè)備把電能存儲(chǔ)起來并在需要時(shí)釋放的儲(chǔ)能技術(shù)及措施。
電化學(xué)儲(chǔ)能是新型電力系統(tǒng)的重要組成部分，是解決可再生能源間歇性和不穩(wěn)定性、提高常規(guī)電力系統(tǒng)和區(qū)域能源系統(tǒng)效率、安全性和經(jīng)濟(jì)性的重要手段。
電化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)主要由電池組、電池管理系統(tǒng)(BMS)、能量管理系統(tǒng)(EMS)、儲(chǔ)能變流器(PCS)以及其他電氣設(shè)備構(gòu)成
。
電池組是儲(chǔ)能系統(tǒng)最主要的構(gòu)成部分，成本占比最高。電池管理系統(tǒng)(BMS)是電池組的“司令官”，是電池和用戶之間的紐帶，主要負(fù)責(zé)電池的監(jiān)測、評估、保護(hù)以及均衡等。
“好方案源于頂層設(shè)計(jì)，好系統(tǒng)出于EMS”，能量管理系統(tǒng)(EMS)負(fù)責(zé)整個(gè)儲(chǔ)能系統(tǒng)內(nèi)信息采集、監(jiān)控等，全方位了解系統(tǒng)運(yùn)行情況，保證系統(tǒng)安全。
儲(chǔ)能變流器(PCS)可以理解為一個(gè)超大號的充電器，但與手機(jī)充電器的區(qū)別在于它是雙向的，可以控制儲(chǔ)能電池組的充電和放電，進(jìn)行交直流的變換。
展開 電化學(xué)儲(chǔ)能基本問題綜述
借助于目前對電極材料微觀結(jié)構(gòu)的調(diào)控手段以及先進(jìn)的結(jié)構(gòu)表征和理論模擬手段，有望將過去廣泛研究和應(yīng)用的一次電池二次化。例如，把SOCl2、SO2、MnO2、FeS2、CrOx甚至(CFx)n，發(fā)展成為可充放鋰電池的正極。目前，公開報(bào)道的結(jié)果相對于現(xiàn)有鋰離子電池，可逆性較差或不可逆，尚需大量深入的研究。除了一次電池二次化的研究，通過理論計(jì)算，實(shí)際上存在著多種新的材料體系組合。但需要特別強(qiáng)調(diào)的是，只有綜合技術(shù)指標(biāo)優(yōu)異，能夠滿足具體需求的電化學(xué)體系最后才能夠獲得應(yīng)用，這也是理論上存在著大量的電化學(xué)儲(chǔ)能體系，但實(shí)際廣泛使用的種類并不多的主要原因。
電化學(xué)儲(chǔ)能器件中的非傳統(tǒng)電化學(xué)簡述
各類實(shí)際應(yīng)用的電化學(xué)儲(chǔ)能體系與以液相反應(yīng)為主的傳統(tǒng)電化學(xué)體系，既有相似性又有一定的區(qū)別。其發(fā)展過程既是傳統(tǒng)電化學(xué)理論的應(yīng)用和實(shí)踐，同時(shí)也是傳統(tǒng)電化學(xué)理論的完善和豐富的過程。文中表5以鋰離子電池體系為例，比較了傳統(tǒng)電化學(xué)體系與目前電池體系的區(qū)別和聯(lián)系。在經(jīng)典液態(tài)電化學(xué)體系中，電極是惰性的，不參與電化學(xué)反應(yīng)，是電子的良導(dǎo)體;而在鋰離子電池中，正負(fù)兩電極都要參與電極反應(yīng)，并且電極活性材料不一定是電子的良導(dǎo)體，如LiFePO4、S等，可通過導(dǎo)電添加劑和在電極內(nèi)形成電子導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)傳輸電子。盡管電化學(xué)反應(yīng)的驅(qū)動(dòng)力相同，但其發(fā)生電荷轉(zhuǎn)移的場所卻不一定相同，在傳統(tǒng)液態(tài)電化學(xué)體系中，電荷轉(zhuǎn)移發(fā)生在固液界面，而在鋰離子電池中，由于電極本身參與電化學(xué)反應(yīng)，其電荷轉(zhuǎn)移同時(shí)在電極內(nèi)部和固液界面發(fā)生。
展開 
電化學(xué)傳感器在石油化工煤礦等工業(yè)領(lǐng)域中的應(yīng)用
英國Alphasense磷化氫傳感器 - PH3-B1
磷化氫傳感器- PH3-B1電化學(xué)傳感器具有靈敏度高，選擇性好，可以過濾灰塵和小水滴，低濃度輸出線性好，穩(wěn)定性好，抗CL2、H2、CO2、NH3的干擾等優(yōu)點(diǎn)，量程為0~10ppm,工作環(huán)境為-30~50℃，15~90%RH,分辨率為0.03ppm，主要用在固定式PH3報(bào)警器，化工，糧倉等工業(yè)領(lǐng)域。
英國Alphasense氰化氫傳感器 - HCN-B1
氰化氫傳感器- HCN-B1電化學(xué)傳感器具有靈敏度高，選擇性好，可以過濾灰塵和小水滴，低濃度輸出線性好，穩(wěn)定性好，抗CO、H2、C2H4、CO2的干擾等優(yōu)點(diǎn)，量程為0~100ppm,工作環(huán)境為-30~50℃，15~90%RH,分辨率為0.05ppm，主要用在固定式HCN報(bào)警器，化工等工業(yè)領(lǐng)域。
英國Alphasense四電極電化學(xué)氨氣傳感器傳感器 - NH3-B1
四電極電化學(xué)氨氣傳感器- NH3-B1電化學(xué)傳感器具有靈敏度高，選擇性好，可以過濾灰塵和小水滴，低濃度輸出線性好，穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，量程為0~100ppm,工作環(huán)境為-30~50℃，15~90%RH,分辨率為0.3ppm，主要用在氨氣氣體變送器，各種氨氣檢測場合，化工等工業(yè)領(lǐng)域。
展開 梳理：催化材料電化學(xué)表征方法
二、脈沖伏安法
脈沖伏安法是一種基于極譜電極行為的電化學(xué)測量手段，被應(yīng)用于研究各種介質(zhì)中的氧化還原過程，催化劑材料表面物質(zhì)吸附研究以及化學(xué)修飾電極表面電子轉(zhuǎn)移機(jī)制等，對于痕量檢測尤為有效。根據(jù)電壓掃描方式的不同，脈沖伏安法包括階梯伏安法、常規(guī)脈沖伏安法、差分脈沖伏安法和方波伏安法等。其中，階梯伏安法與電勢掃描方法類似，大部分體系對較高分辨 (ΔE<5 mV) 階梯伏安的響應(yīng)，與同樣掃描速度的線性掃描實(shí)驗(yàn)結(jié)果非常相似。
三、電化學(xué)阻抗譜
電化學(xué)阻抗譜的是給電化學(xué)系統(tǒng)施加一個(gè)擾動(dòng)電信號，與線性掃描法不同，此時(shí)的電化學(xué)系統(tǒng)遠(yuǎn)離平衡態(tài)，然后來觀測系統(tǒng)的響應(yīng)，利用響應(yīng)電信號分析系統(tǒng)的電化學(xué)性質(zhì)。電化學(xué)阻抗譜常常用來分析，PEM燃料電池中的ORR反應(yīng)，表征催化劑材料表面的擴(kuò)散損耗，估計(jì)歐姆電阻，以及電荷轉(zhuǎn)移阻抗和雙層電容等特性，評估并優(yōu)化膜電極組件。
阻抗譜通常是繪制成博德圖和奈奎斯特圖的形式。在博德圖中，阻抗的幅值和相位繪制成頻率函數(shù)；在奈奎斯特圖中，阻抗的虛部是相對于實(shí)部在每個(gè)頻率點(diǎn)上繪制。高頻電弧反映了催化劑層的雙層電容、有效電荷轉(zhuǎn)移阻抗以及歐姆電阻的組合，低頻電弧是反映質(zhì)量傳輸產(chǎn)生的阻抗。對于給定的體系，兩個(gè)區(qū)域有時(shí)不太好定義。
圖3.1電化學(xué)體系的阻抗譜
圖3.1 給出了動(dòng)力學(xué)控制和傳質(zhì)控制的極限特點(diǎn)。然而，對于任意給定的體系，兩個(gè)區(qū)域很可能不是很好定義的。
展開 多軸電化學(xué)加工機(jī)床內(nèi)流場仿真 ￥500
<p>本案例基于COMSOL軟件建立了一多軸電化學(xué)加工機(jī)床，通道內(nèi)軸為旋轉(zhuǎn)軸，左側(cè)兩根軸是順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，右側(cè)兩根軸為逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，仿真得到內(nèi)部流場變化分布結(jié)果，如圖所示：</p><p><img src="https://img.jishulink.com/202204/imgs/bbb81d2a446947989aa31384ed58e0be.gif" alt="Untitled1.gif"></p><p>感興趣的朋友，歡迎交流合作</p><p><br></p>
展開 電化學(xué)氧氣傳感器在煤礦行業(yè)的應(yīng)用
礦井開采是一項(xiàng)涉及多方面的綜合性工程，它不僅包括公共交通、礦山、通風(fēng)等，還包括企業(yè)管理、爆破、機(jī)械、生態(tài)環(huán)境保護(hù)等諸多內(nèi)容。與其他行業(yè)相比，其自身存在許多不安全因素，無論是工作本身還是工作場所都存在危險(xiǎn)。
礦井是一個(gè)封閉、無風(fēng)、密閉的空間環(huán)境，這對礦工的健康和安全提出了很高的要求。井下氧氣濃度是一項(xiàng)重要指標(biāo)，對礦工和井下作業(yè)至關(guān)重要。氧氣是人類賴以生存的氣體，礦山井下的工人必須有足夠的氧氣進(jìn)行生產(chǎn)活動(dòng)。《金屬礦山安全規(guī)程》規(guī)定，井下作業(yè)環(huán)境含氧量不應(yīng)低于20%，井下作業(yè)人員需新風(fēng)量為4m3/分鐘，當(dāng)井下工作面含氧量低于20%時(shí)，禁止工人作業(yè)。
對于煤礦行業(yè)企業(yè)，他們?yōu)榱吮Ｗo(hù)生產(chǎn)人員的生命健康，都是在煤礦開采過程中，在采礦區(qū)、主巷道或通風(fēng)巷道中安裝氧氣報(bào)警器，以監(jiān)測O2（氧氣）氣體的濃度。氧氣報(bào)警器如下圖所示。
氧氣報(bào)警器中的傳感器都使用氧氣傳感器，而Alphasense公司研發(fā)的氧氣傳感器由于具有線性度好，靈敏度高等特點(diǎn)，在市場廣受歡迎。由深圳市新世聯(lián)科技有限公司代理的 Alphasense 公司氧氣傳感器(O2-A2)是市場上熱銷的氣體傳感器之一，氧氣傳感器(02-A2)主要用于測量環(huán)境中氧氣氣體濃度，根據(jù)測量范圍的不同和工作壽命的長短，氧氣傳感器有多個(gè)型號，比如:長壽命氧氣傳感器(O2-A3)、氧氣傳感器(02-A2)、氧氣傳感器02-A1(1年壽命)、氧氣傳感器02.G2(小尺寸)、氧氣傳感器O2-C2、氧氣傳感器O2-C3 等。
氧氣傳感器(02-A2)主要特性:
(1)氧氣傳感器測量范圍:0-30%VOL
(2)工作壽命:>24 個(gè)月（達(dá)到初始信號的85%時(shí)的月數(shù)）
(3)尺寸(mm):Ф20.3x16.8mm
(4)輸出:80-120μA （@ 22°C,
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