リチウムイオン電池用の5つのホットな研究ツールに関する簡単な説明-リチウム-イオン電池機器
リチウムイオン電池の分野では、さまざまなパラメータが電池の性能に与える影響が不確実であるため、実験計画にはある程度の盲目があります。パラメータを決定するための従来の網羅的な方法には、重いタスク、低効率の欠点があり、理論的な問題を解決することは困難です。
シミュレーション技術の発展に伴い、シミュレーション技術はますます多くの科学研究分野の研究開発に適用されてきました。実験の補完ツールとして、COMSOLマルチフィジックスは次のことができます。
(1)実験の前に、バッテリーモデリングを通じて各実験方法をシミュレートし、実験結果を予測し、パラメータ範囲を狭め、作業効率を向上させます。
(2)バッテリー動作中の内部電気化学プロセスをシミュレートすることは、研究者がバッテリーの内部プロセスを研究するのに役立ちます。バッテリーモデルの簡素化、シミュレーション、分析により、バッテリーの動作状態をより効果的に管理できます。
(3)実験データと組み合わせることで、記事の内容は説得力があり、予測可能で、斬新であり、現場のハイエンドジャーナルに掲載することができます。
現在、熱管理、分極現象、SEI膜の安定性、電極/電解質界面の問題など、リチウムイオン電池の5つの研究ホットスポットはすべて、COMSOLマルチフィジックスを通じてシミュレートできます。
1. バッテリー熱管理におけるCOMSOLマイクロフィジックスの応用
電力機器の継続的なアップグレードに伴い、バッテリーは大型化とモジュール化の方向に徐々に発展し始めています。バッテリーの発熱の問題はますます顕著になっています。バッテリーの熱管理も、バッテリー分野における現在の研究の焦点の1つになっています。充放電プロセス中に、バッテリー内部で熱が発生します。時間内に放散されない場合、温度は上昇し、リチウムイオン電池の通常の動作範囲を超えます:(安全温度範囲)、これは電池の動作条件、サイクル効率、容量、電力などの性能に影響を与えます機器の信頼性、安全性、寿命に影響を与えます。リチウムイオン電池の熱モデルを確立することは、リチウムイオン電池の温度分布と変化を研究するための基本的な方法です。バッテリーの熱効果を調べることにより、バッテリー構造を最適化し、バッテリーの安全特性を向上させることができます。(リチウムイオン電池装置)
COMSOL Multiphysicsは十分な物理インターフェースを提供し、リチウムイオン電池インターフェースと熱伝達インターフェースを組み合わせることで、ユーザーがリチウムイオン電池の熱効果を研究するのに役立ちます。このソフトウェアには、境界条件を設定するためのシンプルで明確なインターフェースがあり、ユーザーは簡単に開始できます。同時に、リチウムイオン電池内の温度分布を直感的に観察できる明確な視覚インターフェースも備えています。
同じ放電率条件下で、対流熱放散中に、外部熱伝達係数が高いほど、バッテリー温度は低くなります。これは、外部ラジエーターを設計する際の熱伝達係数に基づいてラジエーターのサイズと形状を設計するのに役立ちます。また、放電率が高いほど、バッテリー温度が高くなることも示しています。重要な理由は、高速で放電すると、副反応が多くなり、電池の内部抵抗が増加し、オーム熱と副反応熱が同時に増加し、電池の明らかな熱効果が生じることです。これには、バッテリー構造を継続的に最適化し、バッテリーの副反応を減らすためにバッテリー材料を処理する必要があります。また、電解質濃度分布が等温条件よりも断熱条件下で平坦であることを示し、断熱条件下での電解質の拡散性能が等温条件下でよりも優れていることを示し、リチウムイオン電池の研究に新しいアイデアと洞察を提供します。方向。
2. COMSOLの電池容量フェージングへの応用
リチウムイオン電池では、リチウムイオンが脱離するときに起こる酸化還元反応に加えて、電解質分解、活物質溶解、金属リチウム析出などの副反応も多数あります。副反応や劣化プロセスは、不可逆的なさまざまな悪影響を引き起こし、バッテリー容量の損失を引き起こす可能性があります。通常、バッテリーは、異なる場所で同時に発生する複数の複雑な現象や反応が原因で経年劣化します。負荷サイクル中、バッテリーはさまざまな段階にあり、その劣化の程度は、電位、局所濃度、温度、および電流の流れによって異なります。方向。異なる電池材料は異なる経年劣化レベルを有し、異なる材料の組み合わせ(電極材料の交差効果など)は老化をさらに加速させる可能性がある。COMSOLMマルチフィジックスは、研究者がバッテリーの経年劣化モデルを確立し、バッテリーの経年劣化につながるさまざまな要因の定量分析を行うのに役立ちます。バッテリーの経年劣化の原因を明確に理解し、研究目標を確立し、重要な問題の克服に焦点を当てて、科学研究の効率を向上させ、リチウムイオンバッテリーの開発プロセスを加速することができます。
上図のモデルから、リチウムイオン電池のサイクル数が増え、放電率が上がると、電池容量が徐々に減少していくことがわかります。特に放電率が1Cを超えると、放電容量が大幅に低下します。4Cでは、バッテリ電圧が3Vに達する前に、バッテリは理論容量の約50%しか持たない。多くの研究により、電池の副反応によって引き起こされるSEI膜の漸進的な厚膜が電池容量の減衰の重要な理由であることが証明されています。したがって、COMSOLマルチフィジックを使用して、経時的なSEI膜の変化の関係を研究し、SEI膜の形成メカニズムを研究し、SEI膜の安定性を高めることもできます。負極/電解液界面インピーダンスを低減します。
3. バッテリー短絡解析におけるCOMSOLマイクロフィジックスの応用
充電プロセス中に、バッテリーはリチウムデンドライトを形成し、バッテリーセパレーターを貫通してバッテリーの内部短絡を引き起こしたり、外部機械によってパンクしてバッテリーの短絡を引き起こしたりします。内部短絡が長引くと、バッテリーの自己放電や局所的な温度上昇を引き起こす可能性があります。温度が特定の値を超えると、熱反応により電解液が分解し始め、熱暴走を引き起こし、バッテリーのサイクル性能を低下させるだけでなく、バッテリーに安全上のリスクをもたらす可能性があります。COMSOLマルチフィジックスは、バッテリの短絡によって引き起こされる熱暴走の問題をモデル化および解析するために使用できます。
4. COMSOLの電池電気化学インピーダンス分光法解析への応用
電気化学インピーダンス分光法(EIS)は、電極/電解質界面で発生する電気化学的プロセスを研究するための最も強力なツールの1つであり、リチウムイオン電池キメラ電極の活物質中のリチウムイオンの挿入および抽出プロセスを研究するために広く使用されています。周波数的に変化する電位摂動をバッテリ電極に適用すると、インピーダンス応答により、複数のバッテリ特性とプロセスに関する洞察が得られます。 高周波では、静電容量、電気化学反応、局所抵抗などのより短い時間スケールのプロセスがインピーダンスに影響を与えます。一方、低周波数では、電解質や活物質の拡散もインピーダンスに影響します。COMSOLMマルチフィジックスを使用して、キメラ電極のEIS特性を分析し、EISスペクトルの時定数の帰属について議論し、電荷移動抵抗、活物質などの正および負の活物質へのリチウムイオンの挿入および抽出プロセス中の関連する速度論的パラメータに焦点を当てることができます電子抵抗、 拡散、およびSEIフィルムを通るリチウムイオンの拡散と移動の抵抗は、電極の分極電位と温度に依存します。
5. COMSOLの電池電極材料比率解析への応用
電池電極材料の安定性を向上させるために、正極と負極には通常、さまざまな層間材料、特に遷移金属酸化物、多層酸化物、オリビンなどの複数の材料の混合物である正極材料が含まれています。これらの材料は、異なる設計特性(体積分率や粒子サイズなど)、熱力学的特性(平衡サイトや最大リチウムイオン濃度など)、輸送特性(固体拡散係数など)、および速度論的特性(インターカレーション反応速度定数など)を持つことができます。).材料の比率が異なると、バッテリーの全体的な性能に大きな影響を与えます。実験で最適な比率を継続的に見つけようとすると、作業負荷が大きくなり、効率も高くありません。COMSOL Multiphysicsを使用してバッテリーモデリングを通じてさまざまな材料比を分析すると、作業負荷が軽減され、実験パラメータの研究範囲が縮小され、人的資源と材料資源を節約できます。
要約
科学技術の急速な発展に伴い、リチウムイオン電池の研究はもはや実験的研究に盲目的に依存していません。代わりに、最初にソフトウェアを使用してバッテリーをモデル化し、電気化学シミュレーションを通じてバッテリー性能のさまざまな側面を予測し、次に詳細な実験方法を策定します。、実験的検証を行います。現在、COMSOL Multiphysics 5.4の最新バージョンでは、バッテリー等価回路モジュールと集中バッテリーモジュールが追加されており、ユーザーは作業ニーズに応じて独自のモデルをより便利に構築できます。同時に、数学モジュールも備えているため、既存の物理インターフェースがモデリングのニーズを満たすことができない場合、ユーザーはモデリングのニーズに応じて数学インターフェースを柔軟に使用して、より正確なモデルを構築できます。シミュレーションソフトウェアの段階的な最適化により、将来的にはCOMSOLマルチフィジックスなどの有限要素シミュレーションソフトウェアを使用してバッテリーのメカニズムを研究する研究者が増えると考えています。記事を公開する場合、ユーザーはソフトウェア分析データを使用して記事の内容を充実させ、記事の全体的な内容を豊かで美しくし、フレームワークロジックを明確にし、研究者が記事を現場の高レベルのジャーナルに公開すると同時に、記事のインパクトファクターを向上させることができます。
シミュレーション技術の発展に伴い、シミュレーション技術はますます多くの科学研究分野の研究開発に適用されてきました。実験の補完ツールとして、COMSOLマルチフィジックスは次のことができます。
(1)実験の前に、バッテリーモデリングを通じて各実験方法をシミュレートし、実験結果を予測し、パラメータ範囲を狭め、作業効率を向上させます。
(2)バッテリー動作中の内部電気化学プロセスをシミュレートすることは、研究者がバッテリーの内部プロセスを研究するのに役立ちます。バッテリーモデルの簡素化、シミュレーション、分析により、バッテリーの動作状態をより効果的に管理できます。
(3)実験データと組み合わせることで、記事の内容は説得力があり、予測可能で、斬新であり、現場のハイエンドジャーナルに掲載することができます。
現在、熱管理、分極現象、SEI膜の安定性、電極/電解質界面の問題など、リチウムイオン電池の5つの研究ホットスポットはすべて、COMSOLマルチフィジックスを通じてシミュレートできます。
1. バッテリー熱管理におけるCOMSOLマイクロフィジックスの応用
電力機器の継続的なアップグレードに伴い、バッテリーは大型化とモジュール化の方向に徐々に発展し始めています。バッテリーの発熱の問題はますます顕著になっています。バッテリーの熱管理も、バッテリー分野における現在の研究の焦点の1つになっています。充放電プロセス中に、バッテリー内部で熱が発生します。時間内に放散されない場合、温度は上昇し、リチウムイオン電池の通常の動作範囲を超えます:(安全温度範囲)、これは電池の動作条件、サイクル効率、容量、電力などの性能に影響を与えます機器の信頼性、安全性、寿命に影響を与えます。リチウムイオン電池の熱モデルを確立することは、リチウムイオン電池の温度分布と変化を研究するための基本的な方法です。バッテリーの熱効果を調べることにより、バッテリー構造を最適化し、バッテリーの安全特性を向上させることができます。(リチウムイオン電池装置)
COMSOL Multiphysicsは十分な物理インターフェースを提供し、リチウムイオン電池インターフェースと熱伝達インターフェースを組み合わせることで、ユーザーがリチウムイオン電池の熱効果を研究するのに役立ちます。このソフトウェアには、境界条件を設定するためのシンプルで明確なインターフェースがあり、ユーザーは簡単に開始できます。同時に、リチウムイオン電池内の温度分布を直感的に観察できる明確な視覚インターフェースも備えています。
同じ放電率条件下で、対流熱放散中に、外部熱伝達係数が高いほど、バッテリー温度は低くなります。これは、外部ラジエーターを設計する際の熱伝達係数に基づいてラジエーターのサイズと形状を設計するのに役立ちます。また、放電率が高いほど、バッテリー温度が高くなることも示しています。重要な理由は、高速で放電すると、副反応が多くなり、電池の内部抵抗が増加し、オーム熱と副反応熱が同時に増加し、電池の明らかな熱効果が生じることです。これには、バッテリー構造を継続的に最適化し、バッテリーの副反応を減らすためにバッテリー材料を処理する必要があります。また、電解質濃度分布が等温条件よりも断熱条件下で平坦であることを示し、断熱条件下での電解質の拡散性能が等温条件下でよりも優れていることを示し、リチウムイオン電池の研究に新しいアイデアと洞察を提供します。方向。
2. COMSOLの電池容量フェージングへの応用
リチウムイオン電池では、リチウムイオンが脱離するときに起こる酸化還元反応に加えて、電解質分解、活物質溶解、金属リチウム析出などの副反応も多数あります。副反応や劣化プロセスは、不可逆的なさまざまな悪影響を引き起こし、バッテリー容量の損失を引き起こす可能性があります。通常、バッテリーは、異なる場所で同時に発生する複数の複雑な現象や反応が原因で経年劣化します。負荷サイクル中、バッテリーはさまざまな段階にあり、その劣化の程度は、電位、局所濃度、温度、および電流の流れによって異なります。方向。異なる電池材料は異なる経年劣化レベルを有し、異なる材料の組み合わせ(電極材料の交差効果など)は老化をさらに加速させる可能性がある。COMSOLMマルチフィジックスは、研究者がバッテリーの経年劣化モデルを確立し、バッテリーの経年劣化につながるさまざまな要因の定量分析を行うのに役立ちます。バッテリーの経年劣化の原因を明確に理解し、研究目標を確立し、重要な問題の克服に焦点を当てて、科学研究の効率を向上させ、リチウムイオンバッテリーの開発プロセスを加速することができます。
上図のモデルから、リチウムイオン電池のサイクル数が増え、放電率が上がると、電池容量が徐々に減少していくことがわかります。特に放電率が1Cを超えると、放電容量が大幅に低下します。4Cでは、バッテリ電圧が3Vに達する前に、バッテリは理論容量の約50%しか持たない。多くの研究により、電池の副反応によって引き起こされるSEI膜の漸進的な厚膜が電池容量の減衰の重要な理由であることが証明されています。したがって、COMSOLマルチフィジックを使用して、経時的なSEI膜の変化の関係を研究し、SEI膜の形成メカニズムを研究し、SEI膜の安定性を高めることもできます。負極/電解液界面インピーダンスを低減します。
3. バッテリー短絡解析におけるCOMSOLマイクロフィジックスの応用
充電プロセス中に、バッテリーはリチウムデンドライトを形成し、バッテリーセパレーターを貫通してバッテリーの内部短絡を引き起こしたり、外部機械によってパンクしてバッテリーの短絡を引き起こしたりします。内部短絡が長引くと、バッテリーの自己放電や局所的な温度上昇を引き起こす可能性があります。温度が特定の値を超えると、熱反応により電解液が分解し始め、熱暴走を引き起こし、バッテリーのサイクル性能を低下させるだけでなく、バッテリーに安全上のリスクをもたらす可能性があります。COMSOLマルチフィジックスは、バッテリの短絡によって引き起こされる熱暴走の問題をモデル化および解析するために使用できます。
4. COMSOLの電池電気化学インピーダンス分光法解析への応用
電気化学インピーダンス分光法(EIS)は、電極/電解質界面で発生する電気化学的プロセスを研究するための最も強力なツールの1つであり、リチウムイオン電池キメラ電極の活物質中のリチウムイオンの挿入および抽出プロセスを研究するために広く使用されています。周波数的に変化する電位摂動をバッテリ電極に適用すると、インピーダンス応答により、複数のバッテリ特性とプロセスに関する洞察が得られます。 高周波では、静電容量、電気化学反応、局所抵抗などのより短い時間スケールのプロセスがインピーダンスに影響を与えます。一方、低周波数では、電解質や活物質の拡散もインピーダンスに影響します。COMSOLMマルチフィジックスを使用して、キメラ電極のEIS特性を分析し、EISスペクトルの時定数の帰属について議論し、電荷移動抵抗、活物質などの正および負の活物質へのリチウムイオンの挿入および抽出プロセス中の関連する速度論的パラメータに焦点を当てることができます電子抵抗、 拡散、およびSEIフィルムを通るリチウムイオンの拡散と移動の抵抗は、電極の分極電位と温度に依存します。
5. COMSOLの電池電極材料比率解析への応用
電池電極材料の安定性を向上させるために、正極と負極には通常、さまざまな層間材料、特に遷移金属酸化物、多層酸化物、オリビンなどの複数の材料の混合物である正極材料が含まれています。これらの材料は、異なる設計特性(体積分率や粒子サイズなど)、熱力学的特性(平衡サイトや最大リチウムイオン濃度など)、輸送特性(固体拡散係数など)、および速度論的特性(インターカレーション反応速度定数など)を持つことができます。).材料の比率が異なると、バッテリーの全体的な性能に大きな影響を与えます。実験で最適な比率を継続的に見つけようとすると、作業負荷が大きくなり、効率も高くありません。COMSOL Multiphysicsを使用してバッテリーモデリングを通じてさまざまな材料比を分析すると、作業負荷が軽減され、実験パラメータの研究範囲が縮小され、人的資源と材料資源を節約できます。
要約
科学技術の急速な発展に伴い、リチウムイオン電池の研究はもはや実験的研究に盲目的に依存していません。代わりに、最初にソフトウェアを使用してバッテリーをモデル化し、電気化学シミュレーションを通じてバッテリー性能のさまざまな側面を予測し、次に詳細な実験方法を策定します。、実験的検証を行います。現在、COMSOL Multiphysics 5.4の最新バージョンでは、バッテリー等価回路モジュールと集中バッテリーモジュールが追加されており、ユーザーは作業ニーズに応じて独自のモデルをより便利に構築できます。同時に、数学モジュールも備えているため、既存の物理インターフェースがモデリングのニーズを満たすことができない場合、ユーザーはモデリングのニーズに応じて数学インターフェースを柔軟に使用して、より正確なモデルを構築できます。シミュレーションソフトウェアの段階的な最適化により、将来的にはCOMSOLマルチフィジックスなどの有限要素シミュレーションソフトウェアを使用してバッテリーのメカニズムを研究する研究者が増えると考えています。記事を公開する場合、ユーザーはソフトウェア分析データを使用して記事の内容を充実させ、記事の全体的な内容を豊かで美しくし、フレームワークロジックを明確にし、研究者が記事を現場の高レベルのジャーナルに公開すると同時に、記事のインパクトファクターを向上させることができます。
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