Batteries & Fuel Cells Module

Simulation de la Conception et du Fonctionnement des Batteries et des Piles à Combustible

Batteries & Fuel Cells Module

Profil de chaleur dans une batterie cylindrique lithium-ion refroidie à l'air. Le modèle thermique est couplé aux réactions électrochimiques et au flux ionique, qui agit comme une source de chaleur.

Batteries et Piles à Combustible : une Densité d'Energie plus Grande, une Durée de Vie plus Longue

On attend toujours plus des batteries et des piles à combustible : fonctionnement dans des environnements plus difficiles, densités d'énergie ou rendements énergétiques supérieurs, plus longue durée de vie. Pour répondre à ces attentes, les industries misent de plus en plus sur la modélisation et la simulation pour développer, concevoir et optimiser les batteries et les piles à combustible, et assurer leur qualité et leur sécurité de fonctionnement. Ce module permet d'étudier divers systèmes, comme les batteries au plomb, les batteries lithium-ion, les batteries nickel métal-hydride, les piles à combustible à oxyde solide (SOFC), les piles à combustible au méthanol (DMFC) et les piles à combustible à membrane d'échange de protons (PEMFC).

Le Batteries & Fuel Cells Module modélise le comportement électrochimique des électrodes et des électrolytes des batteries et des piles à combustible. Vous pouvez ainsi étudier leurs performances en fonction des conditions de fonctionnement, de différentes configurations et niveaux de détérioration imputables à différents mécanismes de vieillissement. Ce module complémentaire permet de simuler des caractéristiques spécifiques, comme le transport d'espèces chargées et neutres, la conduction du courant, l'écoulement des fluides, le transfert de chaleur ainsi que la nature et les forces motrices des réactions électrochimiques aux électrodes planaires et dans les électrodes poreuses. Une fois que vous avez acquis une compréhension fine de ces caractéristiques, vous pouvez concevoir et optimiser les géométries et les matériaux choisis pour les composants du système (électrodes, séparateurs, membranes, électrolyte, collecteurs et échangeurs de courant) en vue d'améliorer leurs performances, la gestion de la chaleur et la sécurité.


Images Supplémentaires

  • Champ de température dans une batterie lithium-ion pour les applications automobiles. Les isosurfaces et le profil de température pour l'écoulement du fluide dans les canaux de refroidissement sont représentés ici. Champ de température dans une batterie lithium-ion pour les applications automobiles. Les isosurfaces et le profil de température pour l'écoulement du fluide dans les canaux de refroidissement sont représentés ici.
  • Distributions de la concentration en oxygène et en combustible dans les canaux et les électrodes de diffusion du gaz dans une pile à combustible à membrane d'échange de protons (PEMFC). Distributions de la concentration en oxygène et en combustible dans les canaux et les électrodes de diffusion du gaz dans une pile à combustible à membrane d'échange de protons (PEMFC).
  • Ecoulement et perte de charge dans un empilement de piles à combustible. Ecoulement et perte de charge dans un empilement de piles à combustible.
  • Concentration de l'électrolyte pour un taux de décharge de 20 C dans une batterie au plomb. Concentration de l'électrolyte pour un taux de décharge de 20 C dans une batterie au plomb.
  • La fonctionnalité de matériau intercalé dans l'interface Batterie Lithium-Ion est utilisée ici pour décrire deux matériaux intercalés différents dans l'électrode négative. Cette étude porte sur les performances de la batterie pendant la décharge pour différentes fractions de mélange de ces deux matériaux intercalés. La fonctionnalité de matériau intercalé dans l'interface Batterie Lithium-Ion est utilisée ici pour décrire deux matériaux intercalés différents dans l'électrode négative. Cette étude porte sur les performances de la batterie pendant la décharge pour différentes fractions de mélange de ces deux matériaux intercalés.
  • Etude de spectroscopie d'impédance électrochimique (EIS) pour une pile à combustible à oxyde solide (SOFC) modélisée en 3D. L'ampleur des courbes augmente en même temps que la différence entre les deux densités de courant d'échange. Etude de spectroscopie d'impédance électrochimique (EIS) pour une pile à combustible à oxyde solide (SOFC) modélisée en 3D. L'ampleur des courbes augmente en même temps que la différence entre les deux densités de courant d'échange.

Introduire la Complexité dans vos Modèles de Batteries et Piles à Combustible

Commencer Simplement

Que vous souhaitiez créer de toutes pièces un nouveau design ou que vous préfériez utiliser un modèle prédéfini de batterie ou de pile à combustible, optez au départ pour la simplicité et étoffez graduellement la complexité du modèle. Autrement dit, utilisez d'abord un modèle de distribution de courant primaire pour étudier les caractéristiques du dispositif. Cette procédure simplifie la réaction électrochimique, l'électrolyte et les autres composants, tous étant décrits comme de simples résistances à l'aide de la loi d'Ohm. Grâce aux résultats obtenus sur la pertinence de la géométrie, les modèles de distribution de courant primaire permettent d'obtenir également des indications sur sa gestion thermique et même sur son intégrité structurelle à partir de la dilatation thermique.

Le Batteries & Fuel Cells Module propose dans l'interface graphique COMSOL Desktop® des interfaces spécialisées pour de nombreuses physiques. L'interface Courant de Distribution Primaire contient les champs nécessaires pour définir les propriétés des matériaux (comme la conductivité des électrodes et de l'électrolyte), pour tous les composants entrant en jeu dans la conception de la batterie ou de la pile à combustible. De plus, elle est facilement couplée aux interfaces physiques qui décrivent d'autres caractéristiques (comme l'effet Joule ou l'analyse des contraintes thermiques) présentes dans le Batteries & Fuel Cells Module, dans COMSOL Multiphysics ou dans l'un des autres modules physiques.

Analyse des Caractéristiques Electrochimiques du Système

Si vous augmentez la finesse de votre analyse, les caractéristiques cinétiques de la réaction électrochimique dépendent largement de la microstructure des électrodes, du matériau de l'électrocatalyseur et de la composition de l'électrolyte. Rares sont les bases de données de matériaux qui répertorient les paramètres cinétiques des réactions électrochimiques. Les électrochimistes doivent donc faire des expériences pour déterminer les paramètres adaptés à leur dispositif spécifique. Toutefois, il est difficile d'effectuer des expériences détaillées et contrôlées dans les systèmes fermés que sont les batteries et les piles à combustible, compte tenu notamment du nombre de paramètres physiques susceptibles d'influencer le processus électrochimique. Pour obtenir une description précise de ces paramètres cinétiques, il faut souvent comparer les expériences aux modèles reposant sur le même procédé expérimental, puis affiner les résultats à partir des valeurs réelles pour ces paramètres. En plus des interfaces physiques à travers lesquelles simuler ces expériences, comme la voltampérométrie cyclique et la spectroscopie d'impédance électrochimique (EIS ou impédance AC), le Batteries & Fuel Cells Module propose les outils qui permettent d'importer les données, de les afficher et même d'effectuer une estimation de paramètre (nécessite le Optimization Module)

Une fois les paramètres de la cinétique électrochimique définis, vous pouvez faire appel aux modèles de distribution du courant secondaire pour les utiliser dans les analyses des batteries et des piles à combustible. Dans ces modèles, le mécanisme du transfert de charge et les surpotentiels d'activation exercent une influence directe sur les réactions électrochimiques. Grâce à l'optimisation de l'évaluation des tensions et courants de fonctionnement, ces modèles sont utiles pour sélectionner les matériaux d'électrode et d'électrocatalyseur les plus appropriés, tout en permettant de prendre en compte les pertes de surpotentiels d'activation dans une étude thermique.

De plus, l'interface Courant de Distribution Secondaire peut être totalement couplée aux interfaces de transport d'espèces, qui permettent de décrire le transport d'espèces dans les pores des gaz (électrodes de diffusion du gaz (GDE), par exemple). Dans la description des GDE, l'utilisation de modèles d'agglomérat ou de modèles de film mince permet de prendre en compte le transport vers les sites actifs des gaz dissous dans l'électrolyte des pores. Dans ce cas, le transport du gaz dans les pores est également couplé au transport et à l'écoulement dans les canaux de gaz (par exemple, les plaques bipolaires des piles à combustible).

La prise en compte des réactions homogènes est possible par l'utilisation d'expressions cinétiques dans l'interface Transport de masse du Batteries & Fuel Cells Module, qui permet de définir des termes source et puits arbitraires. Ces mêmes termes peuvent également être définis dans les interfaces physiques du Chemical Reaction Engineering Module puis couplés au modèle de batterie ou de pile à combustible.

Observez le Phénomène dans sa Totalité

Les types de modèles précédents présupposent une concentration constante dans l'électrolyte et un transport de courant unique sous l'effet de la migration ionique. Or cette hypothèse est fausse. Parmi les facteurs qui déclenchent une réaction électrochimique, l'un des plus importants concerne la composition de l'électrolyte autour des sites réactifs. Une étude de distribution du courant tertiaire peut s'avérer nécessaire pour étudier en détail les caractéristiques électrochimiques d'une batterie ou d'une pile à combustible. Ce modèle électrochimique, qui prend en compte la variation de concentration, doit également inclure une description pertinente du transport et des équilibres de matière dans l'électrolyte.

Toujours pour la distribution du courant tertiaire, la composition de l'électrolyte et de l'électrolyte des pores peut être totalement couplée avec les équilibres de matière en phase gazeuse et dans les pores de gaz pour les électrodes poreuses et les GDE. Avec les modèles d'agglomérat ou de film mince, ces descriptions peuvent également comprendre le transport d'espèces dans l'électrolyte des pores. Des équations d'insertion spécialisées sont également prévues dans le cas des batteries, pour prendre en compte le transport dans les particules de l'électrode.

Les matériaux dans les séparateurs et les électrodes peuvent également réagir aux réactions homogènes, avec à la clé une détérioration des performances. Les interfaces Transport d'Espèces Chimiques permettent de modéliser les réactions chimiques de ces matériaux afin d'évaluer l'effet que le vieillissement des matériaux de la cellule risque d'avoir sur les performances des batteries et des piles à combustible.

La conduction du courant électrique dans les électrodes et les collecteurs de courant est décrite à l'aide de la loi d'Ohm, en accord avec les équations de conservation du courant. Ce phénomène prend en compte les pertes résistives dans les conducteurs électroniques, tels que les collecteurs et échangeurs de courant, électrodes, électrodes poreuses et GDE. Il est également possible de modéliser les collecteurs et échangeurs de courant à partir des couches minces conductrices, afin d'éviter tout maillage dans leur épaisseur. A travers les interfaces spécialisées pour les électrodes, il est possible de coupler les bilans des courants dans les conducteurs électroniques avec les bilans des courants dans l'électrolyte et l'électrolyte des pores à l'aide des réactions de transfert de charge.

Intégration des Modèles de Batteries et de Piles à Combustible avec d'Autres Physiques

Les modèles du Batteries and Fuel Cells Module peuvent également être intégrés aux interfaces physiques des autres modules de la suite de produits COMSOL. Cette intégration est un moyen utile pour obtenir des informations capitales sur la conception et le fonctionnement des collecteurs et échangeurs de courant, les systèmes de refroidissement, l'optimisation des électrodes, séparateurs et membranes et la gestion thermique, en fonction des performances et de la détérioration des composants induite par le vieillissement.

Les interfaces du CFD Module ou du Heat Transfer Module, qui permettent la simulation d'écoulements turbulents, peuvent servir à modéliser les systèmes d'échauffement et de refroidissement des batteries lithium-ion ou des piles à combustible haute température (MCFC et SOFC notamment). Ces systèmes peuvent également nécessiter des formulations pour le rayonnement de surface à surface, disponible dans le Heat Transfer Module. L'estimation des paramètres, fournis par les simulations et les expériences de spectroscopie d'impédance électrochimique (EIS ou spectroscopie d'impédance AC), de voltampérométrie et d'interruption de courant, peut se faire en couplage avec l'Optimization Module. Pour la modélisation du vieillissement des électrodes, un couplage utile consiste à inclure les contraintes de structure induites par les modifications de la densité en cycle de charge-décharge dans les électrodes, afin d'évaluer l'étendue des microfractures dans les particules de l'électrode. Ces dernières entraînent une perte de la conductivité électrique, avec à la clé une dégradation des performances de l'électrode.

Interfaces Physiques Pour la Simulation des Différents Comportements Electrochimiques

De tous les logiciels de simulation, seul le Batteries & Fuel Cells Module peut être utilisé librement pour modéliser tous les types de batteries et de piles à combustible, avec des fonctionnalités particulièrement puissantes pour la simulation de tous les comportements électrochimiques. Il offre en outre différentes interfaces physiques permettant de simuler les processus électrochimiques à proprement parler, ou les phénomènes ambiants susceptibles de les influencer.

Transport d’Espèces Chimiques

Les espèces réactives des batteries et des piles à combustible peuvent subir plusieurs changements d'états et de phases. Par exemple, elles peuvent exister sous forme gazeuse, liquide et solide, dans des électrolytes concentrés et dilués, dans des mélanges et dans des solutions à l'état solide. Les interfaces spécialisées du Batteries & Fuel Cells Module pour le transport de masse permettent de modéliser le transport d'espèces chimiques dans divers milieux libres et poreux : diffusion, convection et migration dans les solutions et mélanges dilués et concentrés, dans les électrodes planaires et poreuses et dans les GDE.

Commune à toutes les interfaces physiques, la migration est prise en compte à travers l'interface Courant de Distribution Tertiaire par l'interface Equations de Nernst-Planck. Le transport de masse est également décrit dans les interfaces physiques pour la modélisation des batteries lithium-ion, des batteries au plomb et des batteries avec électrolyte binaire, en fonction des électrolytes concernés. Une interface spécialisée permet de coupler directement la modélisation du transport d'espèces chimiques aux écoulements et aux réactions chimiques.

Cinétique des Réactions Electrochimiques

Comme dans tous les modules de la suite de produits COMSOL, vous pouvez définir les équations de votre choix dans les champs d'édition des interfaces physiques, et les faire dépendre des variables du système modélisé. Une fois cette opération effectuée pour les réactions de transfert de charge électrochimique, les expressions cinétiques peuvent être exprimées comme fonctions arbitraires de certaines caractéristiques des espèces chimiques (concentrations, température et potentiels locaux d'électrode et d'électrolyte à l'interface électrode-électrolyte).

Le Batteries & Fuel Cells Module propose des interfaces physiques prédéfinies qui permettent de définir ces cinétiques. L'interfaces d'Electroanalyse est particulièrement utile pour la modélisation d'applications spécifiques, comme l'impédance AC. Les interfaces Courant de Distribution Secondaire et Tertiaire proposent des champs d'édition pour différents paramètres des cinétiques d'électrode, tels que le potentiel d'équilibre, les coefficients de transfert de charge anodique et cathodique, la densité de courant d'échange, le facteur de symétrie et la stœchiométrie. Des expressions prédéfinies sont également proposées pour les équations de Butler-Volmer et de Tafel. Dans l'interface Courant de Distribution Tertiaire, la concentration locale des espèces électroactives est incluse dans les expressions de réaction. Les électrodes poreuses et les GDE sont également présentes dans ces interfaces physiques, qui permettent de spécifier la conductivité efficace des électrolytes et des électrodes avec des propriétés anisotropes.

Bilans des Courants dans l'Electrolyte et les Electrodes

La fonction pratique des batteries et des piles à combustible consiste à faciliter la conversion de l'énergie chimique en énergie électrique, et inversement (dans le cas des batteries). A l'instar du vieillissement, les pertes provoquées par la conversion doivent être aussi réduites que possible. Dans le cadre de la conception et de l'optimisation, les simulations doivent souvent prendre en compte les effets du transport ionique dans l'électrolyte, les membranes et les électrodes poreuses, ainsi que la conduction électronique dans les électrodes, en conjonction avec la conservation du courant et de la charge.

Les interfaces Courant de Distribution Primaire et Secondaire présupposent que le mouvement des ions est influencé uniquement par les effets du champ électrique. Elles négligent donc la diffusion, même si elles peuvent inclure des expressions analytiques approximatives pour le surpotentiel de concentration dans les électrodes poreuses. Les équations de Maxwell-Stefan permettent de coupler l'interface Courant de Distribution Secondaire au transport en phase gazeuse, dans les pores des électrodes de diffusion gazeuse. Il s'agit notamment de la diffusion d'espèces dissoutes dans l'électrolyte des pores, à partir des modèles d'agglomérat ou de film mince.

L'interface Courant de Distribution Tertiaire prend en compte le transport des ions à travers les contributions des trois processus principaux de transport de matière : diffusion, convection et migration sur la base des équations de Nernst-Planck. Ces contributions sont donc incluses dans les formulations qui servent à décrire la densité de courant, même si l'électroneutralité a souvent pour conséquence d'annuler l'effet de la convection. Egalement couplée aux réactions de transfert de charge au niveau de l'interface électrode-électrolyte, cette formulation fournit des résultats pour la tension de cellule relative au courant de cellule dans les analyses stationnaires, transitoires et de domaine fréquentiel (EIS).

La conduction du courant électrique dans les électrodes et les collecteurs de courant est décrite à l'aide de la loi d'Ohm, en accord avec les équations de conservation du courant, dont la conduction électrique dans les électrodes poreuses et les GDE. Le Batteries & Fuel Cells Module propose également une interface qui utilise les couches minces pour simplifier la modélisation de la conduction de courant dans les collecteurs et échangeurs de courant de très faible épaisseur, sans maillage de volume donc. Il est également possible d'inclure des particules conductrices électroniques, fibres ou filaments dans une cellule, afin de simuler les effets de courts-circuits et de l'emballement thermique dans les batteries.

Interfaces Batteries

Le Batteries & Fuel Cells Module propose des interfaces physiques spécialisées pour la modélisation des batteries lithium-ion. Elle offre ainsi des termes et formulations supplémentaires qui permettent d'attribuer une épaisseur à la diffusion interne de particules (insertion) et l'interface solide-électrolyte (SEI), en l'incluant sous forme de variable de modèle. Il est possible de modéliser l'augmentation de l'interface solide-électrolyte (SEI) pendant le fonctionnement et dans différentes conditions de fonctionnement pour simuler le vieillissement. Egalement fournie, l'interface Batterie Plomb-Acide prend de plus en compte la variation de porosité dans les électrodes, imputable au cycle de charge-décharge de la batterie, et la vitesse superficielle moyenne de l'électrolyte induite par ce changement de porosité. Il est préférable de modéliser les batteries avec électrolyte binaire dans leur interface physique spécialisée. En effet, elle prend en compte les électrolytes concentrés et les contraintes que l'électroneutralité impose au transport des ions dans ces systèmes, de même que l'insertion d'espèces dans les particules composant les électrodes poreuses. Cette interface physique est utile pour modéliser les batteries nickel métal-hydride et nickel-cadmium.

Ecoulement

Le Batteries & Fuel Cells Module prend en compte les écoulements en milieu libre (régime laminaire) et en milieu poreux à travers des interfaces physiques qui résolvent les équations de Navier-Stokes, la loi de Darcy et les équations de Brinkman. Pour prendre en compte l'écoulement en régime turbulent et diphasique, vous devez utiliser les interfaces du CFD Module.

Transfert de Chaleur

Le Batteries & Fuel Cells Module propose des interfaces physiques pour modéliser le transfert de chaleur par convection, conduction et diffusion thermique imputable à l'action de la migration ionique. Il offre également une interface spécialisée pour l'effet Joule qui inclut en plus les contributions des pertes d'activation et une interface permettant de modéliser le transfert de chaleur en milieu poreux. Cette modélisation prend en compte les différentes conductivités en phases solide et liquide, ainsi que la dispersion thermique convective spécifique de ce type de milieu. Le couplage des modèles aux interfaces physiques du Heat Transfer Module permet de prendre en compte le rayonnement de surface à surface dans les systèmes à haute température.

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