Module Battery Design

Comprendre, concevoir et optimiser les systèmes de batteries

La modélisation des batteries nécessite différents niveaux de détail en fonction de l'objectif des simulations. Le module Battery Design est un module complémentaire du logiciel COMSOL Multiphysics® qui englobe des descriptions à différentes échelles de taille, depuis les structures détaillées de l'électrode poreuse jusqu'au pack de batteries, avec intégration des systèmes de gestion thermique.

Les descriptions font intervenir des phénomènes physiques tels que le transport d'espèces chargées et neutres, les bilans de charge, les réactions chimiques et électrochimiques, le chauffage par effet Joule et les effets thermiques dus aux réactions électrochimiques, le transfert de chaleur, les écoulements fluides et d'autres phénomènes physiques essentiels à la compréhension d'un système de batterie.

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Un modèle de pack de batteries composé de 200 batteries, visualisé dans la palette de couleurs Heat Camera.

Batteries lithium-ion

Le module Battery Design propose des modèles avancés pour la modélisation des batteries lithium-ion. Vous trouverez différents mécanismes de vieillissement et des modèles haute-fidélité, tels que le modèle de Newman, disponibles en 1D, 2D et 3D. En plus de modéliser les réactions électrochimiques isolément, vous pouvez les combiner avec le transfert de chaleur et tenir compte des contraintes et des déformations structurelles causées par l'expansion et la contraction dues à l'insertion du lithium. Le module offre également une fonctionnalité permettant de mettre en place des modèles hétérogènes, qui décrivent les formes réelles de l'électrode poreuse. L'étude de la microstructure d'une batterie permet de mieux comprendre les performances de la batterie.

Batteries plomb-acide

Pour la simulation des batteries au plomb, le logiciel inclut les variables dépendantes pour le potentiel ionique et la composition d'un électrolyte, ainsi que le potentiel électrique et la porosité dans les électrodes solides. Le modèle tient compte de la dissolution et du dépôt de solides. Les fonctions intégrées vous permettent également d'étudier comment divers paramètres de conception modifient les performances de la batterie, comme l'épaisseur et la géométrie des électrodes et des séparateurs, la géométrie des collecteurs de courant et des alimentations, etc.

Batteries génériques

L'élément principal du module Battery Design consiste en la description d'un modèle détaillé des cellules unitaires de la batterie avec l'électrode positive, l'électrode négative et le séparateur. Grâce à la description générique des électrodes poreuses, vous pouvez définir un nombre quelconque de réactions concurrentes dans une électrode et également coupler celle-ci à un électrolyte de composition arbitraire. Le module vous permet de décrire l'électrolyte au sein des pores et dans le séparateur, pour n'importe quelle composition, avec la théorie des électrolytes concentrés, des électrolytes dilués (équations de Nernst-Planck) et pour les électrolytes support en combinaison avec la théorie des électrodes poreuses.

Ce que vous pouvez modéliser avec le module Battery Design

Effectuez de multiples analyses électrochimiques pour les batteries avec le logiciel COMSOL®

Un modèle 3D montrant des lignes de courant dans un gradient de couleur bleu foncé à blanc qui se déplacent à travers un agrégat de particules pourpres.

Modèles hétérogènes et homogènes

Modélisez la structure détaillée des électrodes poreuses et de l'électrolyte poreux pour une cellule unitaire représentative d'une batterie.

Un graphique 1D montrant la chute de potentiel de la couche SEI à 1C avec la chute de potentiel sur la couche SEI sur l'axe des y et le nombre de cycles sur l'axe des x.

Croissance d'interface électrolyte solide (SEI)

Modèle de vieillissement dans une électrode négative en graphite d'une batterie lithium-ion.

Un graphique 1D de la contrainte induite par la diffusion avec Pa sur l'axe des y et la dimension normalisée des particules sur l'axe des x.

Contraintes induites par diffusion

Calculer les contraintes et les déformations dues à l'insertion causées par la dilatation et la contraction.1

Une vue agrandie d'un modèle avec un cylindre représenté en jaune entouré de la palette de couleur Camera thermique.

Mise en court-circuit

Etudiez les batteries en situation de court-circuit.

Un modèle de bloc de batteries composé de 12 batteries cylindriques dont la température est indiquée en arc-en-ciel.

Pseudo-Dimension

Modélisez l'intersion du lithium dans les particules de l'électrode.

Un graphique 1D avec la concentration sur l'axe des y et le nm sur l'axe des x

Capacitance de double couche

Modélisez les condensateurs électrochimiques et les nanoélectrodes.

Un modèle de batterie cylindrique en cuivre et noir avec un écoulement sous la batterie représenté par des lignes de courant de la palette de couleurs Heat Camera.

Batteries NiMH et NiCd

Modélisez les batteries avec des électrolytes alcalins binaires (1:1).

Flux de plomb visualisé en arc-en-ciel.

Batterie à flux

Simulez des batteries à flux au plomb et au vanadium pendant un cycle charge-décharge.

Un graphique 1D montrant la perte de capacité relative.

Placage métallique

Spécifiez les capacités des électrodes pour éviter le placage du lithium métallique pendant les charges rapides.

Un graphique 1D avec la porosité sur l'axe des y et l'épaisseur sans dimension de l'électrode positive sur l'axe des x.

Effets de la porosité

Modélisez les réactions chimiques influencées par le transport des espèces en milieux poreux.

Un graphique 1D montrant l'impédance simulée NCA par rapport à la référence en bleu et l'impédance expérimentale NCA par rapport à la référence en vert, où les deux lignes sont étroitement appariées jusqu'à 0,0016.

Spectroscopie d'impédance

Étudiez la réponse harmonique d'une batterie à l'aide de modèles haute-fidélité basés sur la physique.

Un graphique 1D avec le potentiel de la cellule en volts sur l'axe des y et le temps en secondes sur l'axe des x, et les lignes pour la tension de la cellule modélisée en bleu et la tension de la cellule expérimentale en vert ; les deux lignes correspondent étroitement.

Modèles réduits avec estimation de paramètres

Définissez un modèle simplifié de batterie basé sur un ensemble restreint de paramètres qui permet d'ajuster les résultats des modèles haute-fidélité aux résultats expérimentaux.2

  1. Nécessite le module Structural Mechanics
  2. Nécessite le module Optimization

Caractéristiques et fonctionnalités du module de Battery Design

Le module Battery Design offre un ensemble d'outils spécialisés permettant de simuler les performances des batteries dans différentes conditions de fonctionnement.

L'interface utilisateur de COMSOL Multiphysics montre le générateur de modèles avec le noeud Pertes de tension en surbrillance, la fenêtre de réglage correspondante et un modèle de bloc-piles visualisant la température dansla palette de couleur Heat Camera.

Modélisation simplifiée des batteries

Pour une analyse thermique plus rapide des packs de batteries en 3D, des modèles réduits (simplifiés) validés peuvent être utilisés pour chaque batterie d'un pack. Une fois validés, les modèles réduits donnent une excellente précision dans une plage de fonctionnement particulière. Le module Battery Design contient des modèles réduits basés sur la physique qui résolvent les équations électrochimiques dans toutes les dimensions de l'espace.

L'interface Batterie à particule unique modélise la distribution de la charge dans une batterie à l'aide d'un modèle à particule unique distinct pour les électrodes positive et négative de la batterie. L'interface Batterie réduite utilise un ensemble réstreint de paramètres pour ajouter les contributions aux pertes de tension dans la batterie, provenant des résistances ohmiques et, en option, des procédés de transfert de charge et de diffusion. En outre, vous pouvez définir un modèle de batterie basé sur un nombre arbitraire d'éléments de circuit électrique avec l'interface Circuit équivalent de batterie.

L'interface utilisateur de COMSOL Multiphysics montre le générateur de modèles avec le noeud Reaction de l'électrode poreuse en surbrillance, la fenêtre de réglages correspondante et un graphique 1D de la concentration de l'électrolyte pour le modèle.

Electrodes poreuses avec un nombre arbitraire de réactions électrochimiques

Les systèmes et les produits chimiques des batteries sont souvent affectés par des réactions secondaires indésirables au niveau des électrodes. Vous pouvez étudier leur impact sur les cycles de charge et de décharge, ainsi que sur l'autodécharge.

Les sous-réactions typiques que vous êtes en mesure de modéliser comprennent l'évolution de l'hydrogène, l'évolution de l'oxygène, la croissance d'une interface d'électrolyte solide, le placage des métaux, la corrosion des métaux et l'oxydation du graphite.

L'interface utilisateur de COMSOL Multiphysics montre le générateur de modèles avec le noeud Perturbation dans le domaine fréquentiel en surbrillance, la fenêtre de réglages correspondante et un graphique 1D de l'impédance du modèle.

Etudes en régime transitoire et de spectroscopie d'impédance

Les systèmes de batteries sont souvent des systèmes fermés qui sont difficiles à étudier pendant leur fonctionnement. Des méthodes transitoires d'échelon de potentiel, d'interruption du courant ou de spectroscopie d'impédance peuvent être utilisées pour caractériser une batterie pendant son fonctionnement.

En réalisant des études transitoires, vous pouvez effectuer une estimation des paramètres aux différentes échelles de temps et fréquences pour séparer les pertes ohmiques, cinétiques, de transport ou autres qui peuvent être responsables du vieillissement de la batterie. En utilisant ces techniques transitoires, la modélisation et l'estimation de paramètres, vous réalisez des estimations très précises de l'état de santé d'un système de batteries.

L'interface utilisateur de COMSOL Multiphysics montre le Constructeur de Modèles avec le noeud Batterie Lithium-Ion en surbrillance, la fenêtre Paramètres correspondante et la fenêtre Graphiques contenant un modèle circulaire bleu avec un pic en rouge, orange, jaune et sarcelle.

Modélisation haute-fidélité des batteries

L'interface Batterie Lithium-Ion est utilisée pour calculer les distributions de potentiel et de courant dans une batterie lithium-ion. Plusieurs matériaux d'insertion d'électrodes peuvent être utilisés, et les pertes de tension dues aux couches SEI sont également incluses.

L'interface Batterie avec électrolyte binaire est utilisée pour calculer les distributions de potentiel et de courant dans une batterie générique. Plusieurs matériaux d'insertion d'électrodes peuvent être utilisés, et les pertes de tension dues à la formation de films sur les électrodes poreuses peuvent également être incluses.

L'interface utilisateur de COMSOL Multiphysics montre le Constructeur de Modèles avec le noeud Insertion des particules en surbrillance, la fenêtre Paramètres correspondante, et un graphique 1D des profils de tension pour différentes fractions de mélange de NCA et LMO pour le modèle.

Espèces d'insertion et transport dans les structures poreuses

Les particules des électrodes de batterie poreuses peuvent être soit solides (électrode Li-ion), soit poreuses (plomb-acide, NiCd). Dans le cas de particules solides, la porosité de l'électrode se trouve entre les particules agglomérées. Cependant, le transport et les réactions peuvent se produire dans les particules solides pour les atomes de petite taille d'hydrogène et de lithium. Ces espèces d'insertion sont modélisées par une équation de diffusion-réaction distincte définie le long du rayon des particules solides. Le flux des espèces d'insertion est couplé en surface des particules avec les espèces transportées dans l'électrolyte poreux entre les particules. Les espèces d'insertion et les réactions sont prédéfinies pour les batteries Li-ion, mais vous pouvez utiliser la même fonctionnalité pour modéliser, par exemple, l'insertion d'hydrogène dans les batteries NiMH.

Dans le cas de particules poreuses, on obtient une structure poreuse bimodale : une structure macroporeuse entre les particules agglomérées et une structure microporeuse à l'intérieur des particules. Les équations de réaction-diffusion dans les particules poreuses sont définies de la même manière que pour l'insertion d'espèces dans des particules solides.

L'interface utilisateur de COMSOL Multiphysics montre le Constructeur de Modèles avec le noeud Batterie Lithium-Ion en surbrillance, la fenêtre Paramètres correspondante, et un modèle de batterie avec la température visualisée dans la palette de couleurs caméra thermique.

Propriétés thermodynamiques et matériaux intégrées

La base de données des matériaux de batteries incluse dans le module contient des entrées pour un certain nombre d'électrodes et d'électrolytes courants, ce qui réduit considérablement la quantité de travail nécessaire à la création de nouveaux modèles de batterie.

L'une des étapes les plus longues et les plus sujettes aux erreurs dans la modélisation des systèmes de batteries consiste à rassembler les données d'entrée et à les utiliser de manière cohérente. Par exemple, il est important que les électrodes positives et négatives soient définies dans les mêmes systèmes de référence. Les potentiels d'équilibre des électrodes (demi-cellules) doivent être mesurés ou étalonnés par rapport aux mêmes électrodes de référence, électrolytes et températures avant d'être incorporés dans le même modèle de système de batterie.

Chaque activité et chaque besoin en matière de simulation sont différents. Afin d'évaluer pleinement si le logiciel COMSOL Multiphysics® répond ou non à vos exigences, nous vous invitons à nous contacter. En parlant à l'un de nos représentants, vous obtiendrez des recommandations personnalisées et des exemples détaillés qui vous aideront à tirer le meilleur parti de votre évaluation et vous guideront pour choisir les options de licence les mieux adaptées à vos besoins.

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