COMSOL案例分享：模拟锂离子电池放电过程

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@小白创作中心

COMSOL案例分享：模拟锂离子电池放电过程

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CSDN

https://blog.csdn.net/isa_1110/article/details/144178333

锂离子电池作为现代电子设备和电动汽车的核心部件，其性能和寿命直接影响着设备的使用体验。为了更好地理解和优化电池性能，研究人员常常需要借助仿真软件进行建模和模拟。本文将详细介绍如何使用COMSOL软件模拟锂离子电池的放电过程，通过构建一个简化的单颗粒模型（SPM），帮助读者理解电池内部的物理过程和关键参数。

1. 介绍

在本项目中，我们的目标是使用一种简单的物理模型来模拟锂离子电池的行为。典型的电池模型（图 1 中所示的 Doyle-Fuller-Newman (DFN) 模型）通常只针对电池内部的果冻卷结构选取一个单层的一维切片进行建模。该切片包括负极、隔膜和正极三部分。电极是一个由多孔活性材料和液态电解质组成的两相系统，其中，孔隙被电解质填充。活性材料作为一种嵌入型化合物，其行为可以通过扩散定律精确描述。

在电池放电过程中，锂离子从负极穿过电解质迁移到正极；在充电过程中，迁移方向相反。在简化的单颗粒模型（Single Particle Model, SPM）中，由于假设活性材料中的锂离子传输是速率控制的主要因素，因此忽略了电解质中的传输机制。这一简化假设在中低电流密度条件下具有较高的准确性，同时使得我们可以完全省略隔膜的建模部分，从而简化计算复杂度。

案例用到的公式

2. 模拟步骤

2.1 初始化设置

打开COMSOL
选择“Model Wizard”，创建一个新的模型。
选择物理模块
添加两个“Transport of Diluted Species, tds”模块，分别代表正极和负极颗粒。
设置时间依赖型研究
在“Study”选项中选择“Time-dependent study”，为模型添加动态模拟功能。

2.2 定义参数

1. 参数表（Global Definitions --> Parameters）

2. 输入计算参数(Component 1-->Definitions --> Varibles)

2.3 几何建模

添加几何模块

在左侧的“Model Builder”窗口中，右键单击 Geometry 1。
选择 Circle 来创建圆形几何。

创建负极颗粒

在几何界面中，选择 Circle 1。
在属性窗口中设置以下参数：
Radius（半径）: 5 μm
Position（位置）: 将圆心位置设置为 (0, 0)。
点击 Build Selected，生成负极颗粒的圆形几何。

创建正极颗粒

在左侧的“Model Builder”窗口中，右键单击 Geometry 1，再次选择 Circle。
在属性窗口中设置以下参数：
Radius（半径）: 1 μm。
Position（位置）: 重新设置圆心位置（本例为d，parameter里设置，也可以填写其他数据），确保正极颗粒与负极颗粒分离。
点击 Build Selected，生成正极颗粒的圆形几何。

确认几何设置

在左侧的“Model Builder”窗口中，右键单击 Geometry 1，选择 Build All。
在主显示窗口中检查是否有两个分离的圆形几何体，一个代表负极颗粒，一个代表正极颗粒。

标记几何

在“Model Builder”窗口中，分别点击 Circle 1 和 Circle 2。
右键单击，选择 Rename，将 Circle 1 重命名为 Negative Particle，将 Circle 2 重命名为 Positive Particle。

2.4 材料选择

打开材料库
在左侧的“Model Builder”窗口中，右键单击 Materials 节点。
选择 Add Material，打开材料库窗口。
导入正负极材料
Graphite和Nickel-Manganese-Cobalt Oxide (NMC811)
分配材料
在“Model Builder”窗口中，点击 Graphite 材料节点：在属性窗口的“Domain Selection”部分，点击 Add 按钮，选择几何中的 Negative Particle 圆形区域（负极颗粒），点击 Done。
回到“Model Builder”窗口，点击 NMC811 材料节点：在“Domain Selection”部分，点击 Add 按钮，选择几何中的 Positive Particle 圆形区域（正极颗粒），点击 Done。