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COMSOL搭建电池仿真之电化学力模型(1)

众所周知,电芯在使用过程中,会发生容量衰减和阻抗增加,进而导致电芯发鼓膨胀力增加,而电芯的这类状态改变又会进一步影响电芯的电性能,最后很有可能导致电芯的失效甚至安全事故。今天,我们选择COMSOL的pouch_cell_utilization案例,在该模型上通过增加固体力学物理场来实现电池在充放电过程中的应力应变变化。1.锂离子电池物理场
从案例库中选择对应模型,我们先计算一次,确保模型无问题,从下面的结果图来看,模型能够正常运行右侧显示电芯处于充电阶段,锂离子从正极穿过隔膜到达负极,对于正极来说,正极的嵌锂态降低导致正极的SOC降低,进而引起正极的应力减小,而负极的嵌锂态增加导致负极的SOC增加,应力增加。那我们如何在COMSOL上实现该过程的应力变化呢?

2.固体力学模型
我们选择增加固体力学物理场,模拟电芯在有夹具约束下应力变化和无约束下自由膨胀应变的两种场景。
首先在物理场中增加“固体力学”接口,然后右键添加“材料模型”,进而选择“线弹性材料”,在此分别需要选择增加5个“线弹性材料”,分别名为“正极集流体”,“正极”,“隔膜”,“负极”和“负极集流体”。

在发生电化学脱嵌锂反应过程中,只有“正极”和“负极”才会有收缩膨胀现象,所以我们只需要在“正极集流体”,“隔膜”和“负极集流体”上设置其材料力学属性即可,以“正极集流体”为例,选择对应的域,然后锂离子浓度为“0”,从材料上或者自定义材料的杨氏模量,泊松比和密度等等。而对于“正极”和“负极”,我们除了设置对应的材料物理属性值外,还有增加插层反应节点,用来体现电极的应力应变与嵌锂程度之间的关系,在此需要定义定义电极材料的体积应变关系式posswelling(liion.soc_average_pce2),该关系描述了电极材料在不同嵌锂程度下的体积变化程度,在无约束情况下便是自由膨胀体积变化,在有约束情况下该关系通过应力应变的关系式可以将体积应该改变成应力变化。

最后设置约束条件,可以通过选择在不同面的边界上加约束,以对应不同的电芯初始物理状态,在这里我们选择了每个面都增加约束,相当于限制厚度变化,来看应力变化程度。3.计算仿真
在不做其他调整情况下,我们计算模型,由于是三维的结构网格,经过漫长的计算之后,可以得到在不同时刻状态下电极层级的应力变化。从下面结果图来看,上面是负极部分,下面是正极部分,负极部分的力明显比正极部分大,但是不太合理之处是,和正负极片直接接触的集流体的力也很小,这是由于我们选择了每个面都是受约束的,要想改善这种情况,需要将有接触的面选择成“辊支撑”便可。

该模型具有显示电极层级的应力应变状态的优点,能够体现出不同设计方案对电极层级的影响程度,但是也有计算过程慢,需要硬件配置高的缺点,对于自己的需求,需要针对性选择模型种类,避免结果预期不符或者费时费力。