Was bedeutet die Modellierung von Lithiumbatterien? Tipps zur Modellierung von Lithiumbatterien?

Auf dem Gebiet der Modellierung von lithium-ionen-batterien nehmen das Newman-Modell und sein Derivatmodell eine beherrschende Stellung ein. Da solche Modelle auf der Homogenisierung poröser Strukturen basieren, müssen Benutzer die dreidimensionale Geometrie poröser Elektroden nicht mehr detailliert beschreiben.

In dem Modell bezieht sich die Homogenisierung auf die ungefähre Darstellung der porösen Struktur durch Behandeln der realen porösen Struktur in eine einheitliche gemischte Lösung, die aus festen Partikeln (blauer Teil oben links) und Porenelektrolyten (grüner Teil) besteht. Eine blockdicke Platte. Eines der Ergebnisse der Verwendung einer homogenen Charakterisierung ist, dass Porenelektrolyte (Ionenleiter) und leitende Partikel (Elektronenleiter) in Elektroden in derselben geometrischen Domäne definiert sind. Danach verwenden wir Variablen wie Porosität und gewundenen Grad, um die effektiven Ladungs- und Stoffübergangseigenschaften zu beschreiben, und untersuchen dann den signifikanten Einfluss der Porenstruktur und der Partikel auf die geometrische Form.

Das homogene poröse Elektrodenmodell enthält die Ladungsübertragungsreaktion zwischen dem Elektrodenmaterial und dem Porenelektrolyten. Diese Reaktion realisiert zwar die Stromübertragung, wirkt aber auch als Quelle und Senke des Stroms im Elektroden- und Elektrolytbereich und erreicht das Gleichgewicht zwischen beiden. Die Reaktion ähnelt der Reaktion zwischen den beiden Chemikalien in der Lösung. Die Ladungsübertragungsreaktion der Kathode ist die Quelle des Gleichgewichtsstroms des Leiters und es ist auch die Senke, die verwendet wird, um das Stromgleichgewicht des Porenelektrolyten aufrechtzuerhalten. Unter Verwendung der obigen Quelle und Senke kann gemäß dem Faradayschen Gesetz und dem stöchiometrischen Koeffizienten der homogenen Ladungsübertragungsreaktion die Materialbilanzberechnung im Modell erreicht werden.

Diese porösen Elektrodenmodelle sind hilfreich für die Modellierung und Simulation poröser Elektroden in verschiedenen elektrochemischen Zellen. Aber sind diese Modelle effektiv, wenn sie das detaillierte Design der porösen Struktur einer Lithium-Ionen-Batterie beschreiben? Tommy Zavalis (Batterieexperte, ehemaliger Mitarbeiter von COMSOL, jetzt COMSOL-Kunde) und ich diskutierten dieses Problem während der Teepause und kamen zu dem Schluss, dass die Antwort auf diese Frage nur bekannt sein kann, wenn wir das homogene Modell mit dem heterogenen Modell vergleichen. Zu diesem Zweck haben wir ein heterogenes Modell erstellt, um die Wirksamkeit des Newman-Modells für die ideale dreidimensionale Simulation poröser Elektroden zu überprüfen.

Erstellen Sie ein heterogenes Modell

Im heterogenen Modell beschreiben wir leitende Partikel und Porenelektrolyte klar als dreidimensionale Strukturen und behandeln sie bei der Modellierung des Raums in zwei separate Domänen.

Die durch Ionenmigration verursachte Stromerhaltung ist auf die Elektrolytdomäne in den Poren beschränkt, während die Stromerhaltung leitfähiger Partikel auf den festen Elektrodenbereich beschränkt ist. Der Stoffübergang von Ionen ist nur in der Porenelektrolytdomäne definiert. Gleichzeitig gibt es eine Grenze auf der Oberfläche des festen Partikels. An dieser Grenze können andere Substanzen im Ion oder in der Lösung durch den Phasenelektronentransfer reagieren. Das obige Modell steht in scharfem Kontrast zum homogenen Modell, da im homogenen Modell die Materialbilanz und -reaktion im Berechnungsbereich der gesamten homogenen Elektrode definiert sind.

Bei der Simulation des auf der Oberfläche eines festen Partikels gebildeten Metalllithiums wird angenommen, dass es sich nur in der Partikeldomäne ausbreitet, wo die Partikeloberfläche als äußere Grenze fungiert.

Jetzt können wir das Newman-Modell mit dem heterogenen Modell vergleichen, das zur Beschreibung des feinen dreidimensionalen Modells effektiver verwendet werden kann. Das Modellierungsexperiment ist sehr einfach: Wir haben eine ideale Zelle mit einer idealen dreidimensionalen porösen Struktur konstruiert. Die linken und rechten porösen Strukturen entsprechen den negativen und positiven Polen in Lithiumionenbatterien. Das endgültige geometrische Modell ist in der folgenden Abbildung dargestellt, in der anhand der Stromlinie der Stromfluss im freien Elektrolyten und im Porenelektrolyten dargestellt wird. Elektrodenpartikel bestehen aus Ellipsoiden mit unterschiedlichen Richtungen in der Längsachse und bilden leitende Anordnungen. Elektrolyte sind in den Lücken zwischen den Partikeln enthalten.

Die Verteilung der Ladungsübertragungsstromdichte (A / m2) im positiven und negativen Pol entspricht der rechten und linken geometrischen Struktur bzw. den Farblegenden.

Die obige Abbildung zeigt den absoluten Wert der Stromdichte, die durch die Ladungsübertragung auf die Oberfläche fester Partikel während der Entladung verursacht wird. In der Figur ist die Verwendung von positiven und negativen Elektroden auf der Kollektorseite geringer als auf der Seite des freien Elektrolyten (oder der Trennmembran).

Wir können zwei verschiedene Porositätsverteilungen entlang der Richtung der Elektrodenlänge erhalten, indem wir die Längsachsenrichtung der Partikel drehen, während das Verhältnis von Hohlraum zu Feststoff (Porosität) im Allgemeinen unverändert bleibt. Da das Newman-Modell nur die durchschnittliche Gesamtporosität als Eingabebedingung verwendet, ändern sich die Berechnungsergebnisse nicht, wenn sich die Elektrodenstruktur wie oben beschrieben ändert.

Wenn die Elektrode in Abbildung 3 um 180 ° gedreht wird, z. B. die positive Elektrode, in der sich der Pfeil in der folgenden Abbildung befindet, ändert sich die Stromdichteverteilung, diese Änderung ist jedoch sehr gering (der Kontrast zwischen den Farbdiagrammen der beiden) Zahlen zeigen dies). Selbst die Verwendung der elektrochemischen Impedanzspektroskopie macht es schwierig, kleine Unterschiede in dieser Stromverteilung festzustellen, wie nachstehend erläutert wird.

Wenn sich der positive und der negative Pol horizontal um 180 ° drehen, ist die Stromdichteverteilung des rechten positiven und linken negativen Pols. Es wird empfohlen, die Beobachtungen mit Abbildung 3 zu vergleichen (nur die positive Poldrehung ist oben erwähnt).

Als Tommy und ich Kaffee tranken und uns unterhielten, spekulierten wir, dass wir die Teilprozesse von Elektroden auf verschiedenen Zeitskalen mit einer Methode trennen könnten, die der elektrochemischen Widerstandsspektroskopie (EIS) ähnelt. Möglicherweise können Unterschiede in der Stromverteilung erfasst werden, die durch unterschiedliche geometrische Strukturen verursacht werden. Aus diesem Grund verwenden wir das heterogene Geometriemodell und das homogene Newman-Modell, um das EIS-Experiment zu simulieren.

Die Seite enthält den Inhalt der maschinellen Übersetzung.