COMSOL電池模擬的案例
基于comsol的磁場對鋰電池的影響仿真分析模擬
磁場在鋰電池中的應用可以追溯到近二十年前。基于上述磁學理論，考慮到電池環(huán)境中磁場的影響，結(jié)合最近的報道，磁場的作用可以歸結(jié)為五大機制：磁力、磁化、磁流體力學（MHD）效應、自旋效應和核磁共振。
磁場作用對象有鋰離子傳輸通道、鋰離子本身、電荷等等，磁場作為一種非接觸式能量傳遞方法，合理使用磁場可以對制備電極材料、促進循環(huán)性能、幫助監(jiān)測電池健康和幫助LIB的回收產(chǎn)生積極影響。
圖4. a) 磁場磁化的簡略概貌。鋅鐵氧體納米顆粒在磁場中被磁化成有序排列。b) MHD效應示意圖。Li+在磁場中受到洛倫茲力的作用，產(chǎn)生MHD效應。c) 自旋效應示意圖。MoS2催化劑在磁場下降低了電子自旋能壘，提高了催化效率。d) 核磁共振模型圖。
一、適當?shù)拇艌鰧椭?em>電池容量提升
磁場可以誘導晶體的成核和生長，提高結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。這種特殊的方法可以提高電子和離子的導電性。其次，通道的方向可以由磁場誘導，以促進Li+的運輸。磁場可以使電池的滲透更加均勻，從而導致LIB的快速充電。模擬和實驗結(jié)果表明，磁場對鋰離子電池的放電/充電過程有很大影響。
麻省理工學院（MIT）的研究者利用外部磁場將電極材料中的電荷運輸孔道有序排列，制造出了區(qū)域容量比普通電極材料高3倍的電極材料，使得鋰離子電池更符合電動汽車的需求。研究表明，在正常的倍率充放電實驗中，利用該方法所制造的電池的區(qū)域容量為12 mAh/cm2，而普通電池僅為4 mAh/cm2。
二、鋰基電池中材料的合成應用
材料的合成
磁場可以誘導形成具有特殊晶體結(jié)構(gòu)的鐵磁性和順磁性材料。一般來說，當磁場參與到材料的合成過程中，成核和生長過程會發(fā)生變化，造成各向異性；這最終會影響到晶格的變化。
展開 使用 COMSOL 軟件模擬分析鉛酸蓄電池設計中的電流分布
鉛酸蓄電池也是如此，此裝置雖然發(fā)明于 1859 年，但它的基本工作原理與現(xiàn)代汽車的電池完全相同。
性能強大、價格低廉的蓄電池
Gaston Planté 是一位法國物理學家，他最著名的成就是 1859 年研發(fā)出鉛酸蓄電池。Planté 發(fā)明的第一代電池由兩片鉛制成，鉛被卷成螺旋狀，并被一塊亞麻布分隔開，然后鉛被浸沒在硫酸溶液中。最初的電池設計很笨重，但性能非常強大。它們最初的用途之一是為停靠在車站的火車提供動力，幫助乘客持續(xù)照明。
Gaston Planté 的鉛酸蓄電池的插圖。圖片在美國處于公有領(lǐng)域，通過 Wikimedia Commons 分享。
今天，鉛酸蓄電池的基本工作原理沒有變化。得益于大功率重量比、低廉的成本以及基于反向電流的可再充電的能力，鉛酸蓄電池在汽車和電力工業(yè)得到了廣泛應用。
汽車中的鉛酸蓄電池。圖片由 Frettie 提供。獲得 CC BY 3.0 許可，通過 Wikimedia Commons 分享。
雖然自 Planté 的時代以來，鉛酸蓄電池的基本工作原理沒有改變，但現(xiàn)代產(chǎn)品應用仍然存在分析與改進的空間。優(yōu)化鉛酸蓄電池板柵的設計可以提升其性能、增加使用壽命并減輕重量。一種優(yōu)化方法是借助電化學建模。
使用 COMSOL? 軟件模擬鉛酸蓄電池
使用 COMSOL Multiphysics? 軟件以及附加“電池與燃料電池模塊”，您可以創(chuàng)建鉛酸蓄電池的數(shù)值分析幾何模型。本文選擇半電池作為示例，它由板柵、極耳和被電解質(zhì)域包圍的多孔電極矩陣組成。仿真評估了半電池在 100 A 大電流放電下的性能。
半電池模型的幾何形狀。
一次電流分布 接口是“電池與燃料電池模塊”中的一組預定義的建模功能，可用于模擬半電池中的電流分布。
展開 COMSOL Multiphysics在鋰離子電池中的應用（下）
3 總結(jié)和展望
在鋰離子電池的研究中，仍存在許多科學問題尚未解決，這些問題嚴重影響著鋰離子電池的安全性能和使用壽命。例如，鋰枝晶的生長演化、SEI膜的形成和破裂演化、正極顆粒在循環(huán)中的破裂、電池壽命預測、熱失控、以及電池組的電池狀態(tài)實施監(jiān)測和管理等問題。這些問題涉及到電場、濃度場、力場和溫度場等多個物理場之間的耦合，很難通過單一的實驗表征手段對各個驅(qū)動力進行分別觀測，更難以給出多場耦合的綜合結(jié)果。COMSOL Multiphysics提供了一個高效、便利、可行的工具，通過內(nèi)置的模型和物理場，大大簡化了多場耦合復雜模型的建立，并可以自動解析偏微分方程，對于給定的物理現(xiàn)象、演化過程和邊界條件，進行定量化展現(xiàn)，最終將電池中的各種空間分布和時間演化的現(xiàn)象、多驅(qū)動
力共同作用下的演變機理，可視化地呈現(xiàn)在人們眼前。本文綜述了COMSOL Multiphysics在電解質(zhì)、正極、負極、界面和電池組等不同尺度研究中的應用，如圖9所示：在微觀尺度上，是以納米和微米顆粒來建模并分析其中的物理問題，如正極材料內(nèi)的離子/電子的擴散、空間電荷層的分布、SEI的電場分布、顆粒內(nèi)的電化學應力等問題；在介觀至宏觀的空間尺度上，是以微型電池和電池內(nèi)部組件(正極、電解質(zhì)、負極)來建模，該尺度上涉及包括鋰離子的通量分布、鋰枝晶的生長、鋰沉積產(chǎn)生的應力、厚電極中的極化、SEI的形貌演化和鋰離子的擴散和遷移等問題；在更宏觀尺度上，是以電池組來建模，分析電池熱膨脹、電池熱失控、電池散熱系統(tǒng)、電池壽命的估算以及電池安全檢測等問題。
圖9 利用COMSOL Multiphysics模擬電池中的多尺度問題。
電池中的空間分布和時間演化問題在實驗上往往難以進行準確的表征。
展開 COMSOL鋰電池技術(shù)仿真與應用(九)鋰電池電-熱-力-相全耦合模型搭建與應用
在紐曼框架基礎上，可以耦合各種其他物理過程方程來擴展模型的能力(應對紐曼模型描述不了的場景)
電熱耦合
電化學-熱耦合模型是基于電化學反應產(chǎn)熱而建立的電池模型，在紐曼模型的框架上耦合固體傳熱接口，主要用于模擬電池的溫度變化分布情況。鋰離子電池電化學-熱耦合模型由兩部分組成：研究電池內(nèi)部化學反應的電化學模型以及描述電池溫度分布的熱模型。這兩個部分分工明確并相互耦合。首先，電化學模型計算出發(fā)熱功率，然后將發(fā)熱功率傳遞給熱模型，熱模型根據(jù)發(fā)熱功率計算出溫升，然后將此時電池溫度傳遞給電化學模型中受溫度影響的各參數(shù)，以此互相耦合實現(xiàn)電池的電壓和溫度模擬。電化學-熱耦合模型涉及的理論方程也分為兩部分，一部分是電化學模型所用 到的電荷守恒、質(zhì)量守恒以及電極動力學，另一部分是熱模型構(gòu)建所用的結(jié)合生熱、傳熱與散熱的能量守恒關(guān)系。兩部分相互耦合，使得模型能夠準確地反映出電池的電化學性能與熱性能，示意圖如下。?
電力耦合
電化學-力耦合模型基于電化學插層反應而建立的電池模型，在紐曼模型的框架上耦合固體力學接口，主要用于模擬電池的內(nèi)部應力變化分布情況。
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COMSOL鋰離子電池老化模型
在做老化仿真的時候，COMSOL算著算著就會在某一時刻報錯，而且同一仿真條件下，報錯時間還有可能不同，報錯具體信息如下：
于是我檢查了循環(huán)過程中電極SOC、孔隙率以及膜厚膜組變化，如圖：
感覺都挺正常的，但模型就是沒辦法正常計算，有沒有懂行的老哥指導一下
基于comsol的磁場對鋰電池的影響仿真
; <a href="https://www.yqgqt.org.cn/content/post/1801662" target="_blank" title="基于comsol的電芯電化學充放電膨脹分析">基于comsol的電芯電化學充放電膨脹分析</a><br></strong></p><p><strong> <a href="https://www.yqgqt.org.cn/content/post/1794975" target="_blank" title="基于comsol的軟包鋰電池熱濫用失控蔓延分析">基于comsol的軟包鋰電池熱濫用失控蔓延分析</a><br></strong></p><p><strong> <a href="https://www.yqgqt.org.cn/content/post/1304825" target="_self" title="基于Comsol 鋰電池電化學擬合的一種方法" textvalue="基于Comsol 鋰電池電化學擬合的一種方法">基于Comsol 鋰電池電化學擬合的一種方法</a><br></strong></p><p><strong> &
展開 基于comsol的18650鋰電池熱濫用失控分析 ￥2500
image_process=/format,webp/quality,q_40/resize,w_760" data-initial-src="https://img.jishulink.com/upload/202103/770788e82a794efc8c6e5b04d3bef4bb.gif">
</div><p><br></p><p><br></p><p>熱失控是鋰離子電池最嚴重的安全事故，儲存在鋰離子電池內(nèi)部的電能和化學能在短時間內(nèi)大量釋放，使得鋰離子電池內(nèi)部的溫度甚至能夠達到900℃以上，同時熱失控中電解液、活性物質(zhì)分解產(chǎn)生的大量氣體會導致電池內(nèi)部的壓力急劇升高，甚至引起鋰離子電池的爆炸。為了保證在鋰離子電池的安全性，通常我們會在電池殼上設計一個防爆閥，在壓力過高時能夠及時被破壞，釋放電池內(nèi)部的壓力，防止熱失控中電池發(fā)生爆炸。</p><p><img src="https://img.jishulink.com/upload/201909/7d5c73bb95e8419ea86442e5ee7bd214.gif"></p><p> 對于18650電池而言，防爆閥設計在電池的上蓋之中，防爆閥還兼具了斷路器的功能，在電池內(nèi)部壓力升高到一定程度時，防爆閥動作切斷電流回路，當電池內(nèi)部的壓力進一步升高時，防爆閥結(jié)構(gòu)被破壞，釋放電池內(nèi)部的壓力，防止電池發(fā)生爆炸。之前我們主要是從原理上了解防爆閥的設計，由于18650電池上蓋的結(jié)構(gòu)設計讓我們很難直接看到在熱失控的過程中防爆閥動作過程。</p><p> 倫敦城市學院的Donal P. Finegan（第一作者）和Paul R.
展開 基于comsol的燃料電池氣體泄漏仿真分析，預測危險區(qū)域
</p><p> 其中利用<strong>三維有限元模型</strong>進行模擬仿真,用有擴散障礙物條件下的湍流統(tǒng)計理論分析研究復雜擴散條件下多種組分多溫曲氣體泄漏擴散過程是當前該領(lǐng)域的一個研究趨勢。</p><p> 此次分享采用comsol仿真分析的一個復雜室內(nèi)環(huán)境，存在強制掃風對流。在某一時間點上貨柜內(nèi)發(fā)生易燃氣體大流量泄漏，通過comsol的湍流和物質(zhì)傳遞擴散模塊進行建模分析，預測危險區(qū)域的范圍和位置。</p><div contenteditable="false" width="100%"><p><img src="https://img.jishulink.com/upload/202205/a232eb4beda84328918a1449b008eaaa.gif" title="d4b071a420f54be99e4d9a9e1a29ab9c.gif" alt="d4b071a420f54be99e4d9a9e1a29ab9c.gif" style="max-width:760px;" data-mobile-src="https://img.jishulink.com/upload/202205/a232eb4beda84328918a1449b008eaaa_cdn.gif?image_process=/format,webp/quality,q_40/resize,w_400" data-pc-src="https://img.jishulink.com/upload/202205/a232eb4beda84328918a1449b008eaaa_cdn.gif?
展開 comsol鈣鈦礦太陽能電池仿真
鈣鈦礦太陽能電池仿真，半導體模塊不會設置，需要出p-v J-V曲線圖，還請大神們指點一二
基于COMSOL的太陽能電池多層介質(zhì)薄膜的吸收特性分析 ￥600
方法： 采用matlab 編程讀取膜系數(shù)據(jù)，然后聲場一些COMSOL 運行命令（方法），在點擊方法coating1 的運行，則多層介質(zhì)模型即可自動生成。 該方法特別適合，膜系數(shù)據(jù)特別多層，或需要研究不同膜系情況下規(guī)律，可快速更改。
本案例模型及相關(guān)操作見附件、收費內(nèi)容部分，凡購買本案例的朋友，結(jié)合附件中的模型及相關(guān)操作說明在仿真操作上還有什么疑問，請與我溝通交流。
基于comsol的軟包鋰電池熱濫用失控蔓延分析
image_process=/format,webp/resize,w_219" alt="基于comsol的鋰電池疊片電化學耦合熱分析的圖1" width="219"></span></p><p><br></p><p><strong>更多相關(guān)分析，可以查看以下鏈接</strong></p><p><strong> </strong><a href="https://www.yqgqt.org.cn/content/post/1856241" rel="noopener noreferrer" target="_blank"><strong>基于Comsol的鋰電池針刺、內(nèi)短路和過充仿真</strong></a></p><p><strong> </strong><a href="https://www.yqgqt.org.cn/content/post/1846979" rel="noopener noreferrer" target="_blank"><strong>應用COMSOL APP分析鋰電池熱失控蔓延防控措施</strong></a></p><p><strong> &
展開 
基于Comsol的鋰電池針刺、內(nèi)短路和過充仿真
/content/post/541243" rel="noopener noreferrer" target="_blank"><strong>基于comsol的鋰電池疊片電化學耦合熱分析</strong></a></p><p><strong> </strong><a href="https://www.yqgqt.org.cn/content/post/1787167" rel="noopener noreferrer" target="_blank"><strong>基于Comsol的超聲探測鋰電池SOC狀態(tài)仿真分析</strong></a></p><p><strong> </strong><a href="https://www.yqgqt.org.cn/content/post/1856248" rel="noopener noreferrer" target="_blank"><strong>基于comsol的磁場對鋰電池的影響仿真</strong></a></p><p><br></p><p><br></p><p><br></p><p> 離子電池主要由正極、負極、隔膜和電解液等組分構(gòu)成，其中隔膜的主要作用是實現(xiàn)正負極之間的電子絕緣
展開 基于Comsol的鋰電池針刺實驗仿真分析 ￥3500
image_process=/format,webp/resize,w_219" alt="基于comsol的鋰電池疊片電化學耦合熱分析的圖1" width="219"></span></p><p>鋰電池針刺實驗</p><p> 針刺實驗正是為了模擬鋰離子電池內(nèi)部短路的情況而設計的安全測試，下圖為日本早稻田大學的Tokihiko Yokoshima等人采用計算機斷層掃面技術(shù)得到的鋰離子電池在針刺全過程【2】。從圖中我們能夠看到當鋼針進入到電池內(nèi)部0.2mm時，電池內(nèi)部形成了第一個短路點，由于短路的發(fā)生電池內(nèi)部開始產(chǎn)氣，同時電池電壓也下降到了3.6V，同時鋼針的曲率半徑液從20um增加到了100um，這主要是因為短路點的大電流使得鋼針尖端發(fā)生融化，表面短路點的溫度極高，此時由于鋼針尖端的融化電池內(nèi)短路點斷開，電池的電壓出現(xiàn)了回升，穩(wěn)定在了3.8V。</p><p><img src="https://img.jishulink.com/202103/imgs/51ff08de604d4fcd9ff93c0e6d71cbfe.gif"></p><p> 從上面的實例可以看到針刺實驗主要是通過鋼針刺穿電芯，引起正負極短路，模擬電池發(fā)生內(nèi)短路的情況。因此不難看出，針刺速度越慢、鋼針直徑越小、電池容量越大，短路點的電流密度也會越大，電池的溫升越高，電池也更容易發(fā)生熱失控。</p><p><br></p><p>這是實驗當中監(jiān)測的鋰電池電壓變化。
展開 基于comsol的18650鋰電池電化學仿真 ￥3500
><a href="https://www.yqgqt.org.cn/content/post/1304825" rel="noopener noreferrer" target="_blank"><strong>基于Comsol 鋰電池電化學擬合的一種方法</strong></a></p><p><strong> </strong><a href="https://www.yqgqt.org.cn/content/post/548512" rel="noopener noreferrer" target="_blank"><strong>基于comsol的鋰電池組電化學耦合風冷相變分析</strong></a></p><p><strong> </strong><a href="https://www.yqgqt.org.cn/content/post/543918" rel="noopener noreferrer" target="_blank"><strong>基于comsol的18650鋰電池電化學仿真</strong></a></p><p><strong>  
展開 “COMSOL多物理場耦合仿真技術(shù)與應用-燃料電池”篇
“COMSOL多物理場耦合仿真技術(shù)與應用-燃料電池”
COMSOL仿真基礎
1、COMSOL軟件基本操作
1.1創(chuàng)建模型一般步驟
1.2幾何創(chuàng)建方法
1.3 網(wǎng)格劃分技巧
1.4 方程及邊界設置
2、后處理
2.1 數(shù)據(jù)集創(chuàng)建
2.2 衍生量的計算
2.3 結(jié)果圖的繪制
實例操作：肋片散熱模型，化整為零式網(wǎng)格劃分模型
COMSOL燃料電池仿真技術(shù)詳解
3、燃料電池仿真
3.1 燃料電池開路電壓計算
3.2燃料電池三種極化損失
4、多孔電極有效擴散系數(shù)構(gòu)建
4.1多孔電極構(gòu)建方法
4.2曲率與孔隙率關(guān)系
4.3塵氣模型實現(xiàn)方法
實例操作：多孔電極模型、塵氣輸運模型
5、從簡到真的建模方法
5.1只考慮氣體輸運
5.2 添加導電過程
5.3 添加電化學過程
5.4 添加退化過程
實例操作：紐扣電池模型，退化模型
6、連接體研究分析
6.1燃料電池活化設置方法
6.2傳質(zhì)-導電-電化學多場耦合方法
6.3傳熱-傳質(zhì)-動量-導電-電化學多場耦合
6.4連接體優(yōu)化與設計
實例操作：連接體優(yōu)化模型、新型連接體模型
7、積碳研究
7.1 燃料電池邊界設置
7.2 傳質(zhì)-導電-電化學多場耦合方法
7.3 甲烷內(nèi)重整反應設置
7.4 甲醇內(nèi)重整反應設置
7.5積碳分析
實例操作：甲烷積碳模型，甲醇積碳模型
7、直接碳燃料電池性能研究
7.1 Boudouard反應設置
7.2熱源設置方法
7.3傳質(zhì)-導電-電化學-熱多場耦合方法
7.4性能分析
實例操作：直接碳燃料電池模型
8、應力分析
8.1力學邊界設置
8.2損傷幾率求解
8.3殘余應力分析
8.4熱應力分析
實例操作：微管應力模型
了解更多內(nèi)容 請關(guān)注公眾號：第一性原理計算與應用
QQ：745729222
TEL：15010498280
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