Technical Papers and Presentations

在设计方型电池充电策略时，往往需要先获得电池在不同温度的充电能力。制作方型电池三电极并测试其不同温度的充电能力过程繁琐且成功率低，因此通常采取制作相同材料的小容量软包三电极电池，进行不同温度、不同倍率充电测试并监控负极电位，作出充电能力曲线。但是小容量软包（<10Ah）与大容量方型（>100Ah）电池的结构差异较大，不能准确反映方型电池的充电能力。 利用COMSOL直接仿真长度约260mm，容量108Ah的方型电池的充电能力。在COMSOL中耦合锂电池模块和固体传热模块，建立方型电池模型。输入方型电池的设计信息，正负极材料半电池充放电数据和方型电池在-20℃、 ... Read More

高效光伏发电是以清洁能源实现未来碳中和的重要环节，然而太阳能电池在实地、连续昼夜切换的光谱下的发电效率并未得到充分优化。基于此类问题，我们提出一种使用COMSOL + MATLAB LiveLink预测全年候电池平均发电量、针对实际光谱优化电池结构的方法。 本模型涉及两个研究步骤。在研究1中，我们使用波动光学模块/数学pde计算晶硅太阳能电池中全波长下的二维光电场分布（图1(a)）及外量子转换效率，运用网格的映射大幅减少此步骤的计算时长，并使用sum + withsol的算子实现在半导体物理场中调用光学计算得出的总载流子生成率（图1(b)）。在研究2中 ... Read More

对锂离子电池进行准确建模有利于更好的进行电池设计和电池管理。目前对电池电化学模型的建立主要是基于传统的P2D理论，将活性颗粒假设为均匀分布的球形，使用bruggman关系式近似计算固液相的有效传输参数并忽略了粒径和孔隙率在电极内的异质性分布。在小倍率充放电条件下由于锂离子浓度梯度较小，所以均质化模型可以准确表达电池的内外特性；然而在大倍率条件下，厚度方向上复杂异质性的孔隙限制了锂离子的传输，特别是对于厚电极。此时均质化模型往往低估了电池极化，导致仿真与实验结果误差大，模型不准确。为了充分考虑电极结构的异质性，本研究在传统P2D模型的理论框架下，将电极厚度方向分为多层 ... Read More

在所有电池系统中，锂氧电池的理论比能量最高，而实际比能量却明显不足。阻碍氧和/或电子传递导致多孔空气电极的有限利用，而实现对电化学和质量传递耦合的定量理解是具有挑战性的。本文首创了一种具有高度一致和可控通道单元的多孔电极，该电极排除了无序孔隙的随机性，从而能够研究控制机制。通过comsol建立了一个动态非均质模型，提供了LiO2的第一个时空分布，揭示了其在有限电子输运下的反向扩散轨迹。实验和模型的协同结合确定了通道尺寸在分为质量，杂交和电子传递控制的机制中的关键作用。对于大孔隙来说，提高Li2O2的导电性和减轻固液界面损伤比增强氧的扩散更为迫切 ... Read More

为提高锂离子电池的能量密度，人们做出了许多努力，其中设计厚电极是一种很有前途的方法。传统上，在构建厚电极时会考虑动力学效应，例如降低迂回度以促进离子传输。这项工作创新性地研究了动力学和热力学对电极过程的耦合效应，并通过可视化电极过程对两者进行了竞争分析。结果表明，倾斜的平衡电位曲线有利于电极的均匀利用，但严重的动力学约束会使热力学调节失效。因此，改变电极的热力学特性以加强调节效果是一种很有前途的方法，而动力学约束则是限制电池容量释放的内在因素。深入的分析表明，确保离子和电子的混合控制可以显著缓解动力学反应的异质性。作为概念验证，我们构建了具有垂直通道的厚电极 ... Read More

本发明公开了基于电化学-热-老化与三维降阶的电池组寿命预测方法，所述方法包括在单体锂离子电池伪二维P2D电化学模型上，加入用于描述单体锂离子电池容量衰减的副反应偏微分方程，再耦合三维降阶的传热模型，搭建单体锂离子电池电化学-热耦合容量衰减模型，进行参数校正后，加入边界相似性或平均算子方法搭建锂离子电池组寿命预测模型。能够准确预测电池模组的循环寿命及相关电化学与产热的各项性能，模型的计算速度和结果的吻合度高，并且大大减少了数据存储空间，为实现储能电站等大体量的电池包和电池簇的模拟仿真提供了方法。 1)通过COMSOL ... Read More

为了实现锂电池电芯设计定向优化及评估析锂风险，如Fig.1所示，本工作利用COMSOL的“电池模块”中的“Lithium-ion battery”物理接口，基于Dolye等[1]的伪二维（P2D）模型、多孔电极及浓溶液理论，建立了固液相电荷守恒、固液相物质守恒及电荷转移守恒方程并求解，采用带初始化的瞬态求解器进行仿真。考虑到计算成本及场景需求，磷酸铁锂（LFP）电池电芯设计、极片缺陷和涂覆不同动力学负极材料案例分别构建为一维、二维和三维模型。为优化LFP的多孔电极的孔隙率、厚度设计，实现比能量和比功率最大化，基于COMSOL锂电池接口模拟了290多组设计实验 ... Read More

在实验中发现锌对称电池运行过程中电解液会发生自然对流，针对此现象我们通过comsol中的三次电流分布和层流接口进行模拟，从而获得了电池运行过程中的电解液浓度分布，电压变化情况等信息 Read More

热光伏(Thermophotovoltaics, TPV)系统是一种结合了太阳能热发电技术和光伏发电技术的系统，它能够更高效地利用太阳光谱中的热能和光能。对TPV系统而言关键是要提升其转换效率，本工作采用COMSOL Multiphysics 6.0波动光学模块，开展了超材料发射体的结构与材料设计，得到高度的选择性发射光谱，从而提高TPV系统效率。 纳米金属结构的超材料发射体单元结构分为三层：上层是圆柱纳米金属结构，中间是介质层材料，底层是与中间层同样大小，有一定厚度的金属基板，如图1所示。我们探究了不同材料对辐射器发射性能的影响，其中金属包括W，Ta，Mo ... Read More

新能源汽车电池液冷板的设计优化对提升电池性能和保障安全至关重要，本研究基于拓扑优化设计，设计提出拓扑结构、矩形/梯形结构和复合结构的液冷板。为探究四种液冷板的散热性能，以电池模组为研究对象，以传统的并联矩阵形液冷板为对比，利用COMSOL内置材料模块定义液冷板材料，通过几何、传热模块和化学物质传递模块添加物理场，耦合接口的设置中流体流动为层流，传热方式位固体和流体传热。在依次完成网格划分和独立性分析后，对其进行CFD仿真实验。结果显示拓扑结构模组的冷却能力和电池均匀性最好。同时对以上四种液冷板进行加工制作进行实验，仿真与实验数据最高温度差不超过2.1K ... Read More