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COMSOL搭建电池仿真之锂枝晶模型

众所周知,在电池过程中异常失效是不可免的,而锂枝晶是常常最受关注的问题之一,我们这次通过案例分析如何在COMSOL中搭建一个充电过程中的锂枝晶模型,可用于电芯的开发评估和策略验证过程中。

锂枝晶是指在电池充电过程中,从正极过来的锂离子来不及扩散到负极内部,而在负极表面得到电子形成单质锂的过程。有两个反应过程,一个是锂离子在负极表面反应,嵌入到石墨颗粒内部,另一个是锂离子在石墨表面得到电子生成锂单质。长此以往,该过程会造成电芯容量衰减,阻抗变大,电池发鼓甚至引起电芯短路问题。

我们以案例为基准,讲述锂枝晶模型的关键控制过程以及考虑影响锂枝晶的温度和倍率因素,但是该模型也有很多参数上的缺陷,如果想做的更靠谱的话,还需要在参数辨识和模型设置上做调整。

第一步:设置多孔电极反应,相对于正常的锂电池模型,我们只需要在负极上增加新的电极反应,设置材料的平衡电位为0V。而在交换电流密度上设置判断条件:负极电位低于0V便开始发生析锂反应,因为锂电位为0V,所以可以用该电极上的过电位表示,我们可以设置成三种表达式,第一种:Arreh*1e2[A/m^2]*step1(-liion.eta_per2[1/V]);第二种:Arreh*1e2[A/m^2]*(liion.eta_per2<0[V]);第三种:if(liion.eta_per2<0[V],Arreh*1e2[A/m^2],0)三种类型表达效果是一样的。

此外,设置析出的锂金属的化学反应属性。

第二步:设置电池的充电条件,根据充放电循环节点便可以完成。

第三步:设置研究条件,选择两个研究过程,改变倍率和温度。

结果展示:计算模型之后,我们可以从结果中查看到相应的数据图示。电流和温度越大,锂枝晶程度也就也严重。

案例分享

链接:https://pan.baidu.com/s/1ecS32ZG-w7Yp1Jd8PWrVsw

提取码:lu5a