Technical Papers and Presentations

在能源危机和气候变化的背景下，电动汽车和混合动力汽车产业快速发展，锂离子电池在其中发挥着重要作用。锂离子电池使用过程中的容量衰减研究是该领域中的一个重要课题。锂锰氧化物（LMO）由于其经济、无毒害等优点，成为锂离子电池的常用阴极材料之一。有文献报道，在电解液中六氟磷酸锂分解产生质子的情况下，锂锰氧化物会发生分解，锰离子发生溶出并在阳极发生沉积，这是造成锂离子电池容量衰减的原因之一。本模型通过仿真上述过程，分析锂锰氧化物的分解与沉积对电池容量衰减的影响。使用COMSOL Multiphysics®进行建模，参考案例库中的锂离子电池容量衰减模型（Application ID ... Read More

COMSOL在研究锂金属固态电池负极界面问题的应用 陈翯[1] 沈忠慧[1] [1] 清华大学，北京，中国 锂金属固态电池中，枝晶生长刺穿电解质导致电池短路是电池失效的重要因素之一。研究表明在Poly(vinylidene difluoride) (PVDF)-based固态电解质和锂负极界面会形成稳定非均一纳米界面层，起到高电流密度下自开路作用，从而避免过流引起的安全问题。 通过飞行时间二次离子质谱(TOF-SIMS)，X射线光电子能谱分析（XPS），俄歇电子能谱（AES）确定出PVDF-LiFSI|Li界面层是由Li2CO3，LiF ... Read More

太阳能作为可再生能源，在未来将会有很大的发展空间。在将太阳能转化为电能的过程中，太阳能电池起着主要作用，而如何提高太阳能转换效率一直是太阳能电池研究的重要内容。目前在硅基太阳能电池中，电流密度已经接近极限，而开路电压相对极限值还有一定提升的空间，有关研究表明提高开路电压可以有效提高太阳能转换效率。本研究将肖特基接触和薄绝缘栅相结合，利用COMSOL多物理场仿真中的半导体模块研究硅基太阳能电池，建立电池二维模型，电池宽为100um，长为400um，并对光生载流子的衰减系数、pn结的掺杂浓度等进行参数分析。结果表明：当金属接触设置为肖特基接触时，电流密度相差不大 ... Read More

三元锂离子电池作为目前电动汽车的主流储能设备之一，其电化学性能与热性能引发诸多关注。锂离子电池的内部电化学特性和热特性对其性能有显著影响，但这些特性无法通过实验方法得到。本文基于多物理场耦合仿真软件COMSOL Multiphysics® 5.4，采用有限元方法，将电池电化学模型与热模型结合分析电池的电化学特性以及热行为。通过电化学模型和热模型原理，建立了30 Ah三元锂离子方形电池的三维电化学-三维热耦合模型。采用热传导模块建立了由电芯、正极和负极片组成的三维热模型，并覆盖电池硬壳，采用自由四面体法进行网格划分。基于该模型 ... Read More

自铅酸电池发明以来，由于其功率密度高，成本低等优点，铅酸电池成为目前市场份额最高的二次电池。但是铅酸电池能量密度较低等缺点限制了它在诸如电动汽车等领域的应用。为拓展铅酸电池的应用范围，本文提出了一种新型铅酸电池——铅空气电池，并利用 COMSOL Multiphysics® 对其性能进行初步预测。铅空气电池是将传统铅酸电池中氧化铅电极替换为空气电极的一种新型铅酸电池。建立模型的过程中参考了案例库中“铅酸电池的放电与自放电”和“一维等温锂空气电池”两个案例，使用铅酸电池接口模拟电极反应，电极孔隙率变化，电解质传递行为和浓度变化 ... Read More

车载动力锂离子电池通常采用层叠式结构来提高电池容量，减小体积。层叠式结构的电池通常将正负极耳布置于电池顶端，这种布置方式导致电池沿平面方向温度分布不均。为研究电池温度变化与分布特征，以10Ah磷酸铁锂电池为研究对象，通过耦合质量、电荷、能量及电化学动力学方程，建立了三维分层电化学-热耦合模型。仿真结果表明，在放电过程中，极耳与极板连接区域电位分布与电流密度分布都存在明显的分布梯度，且在正极极耳处电流密度值最大，温升最高，放电结束时温升达到最大值8℃。电池不同位置的温升速率不同，放电前期，靠近极耳区域的温升速率较大，远离极耳处温升速率较小；随着放电过程的深入 ... Read More

确保电池模组的温度均匀性是电池热管理系统设计中的重要工作。本文设计了一种具有不同电池分布策略的锂离子圆柱电池模块，以提高其均匀性。建立了3维传热—1维电化学耦合有限元模型，对电池模块的布置进行了分析和优化。基于等差数列和等比数列来排列电池的间隔。发现在电池之间改变间隔的布置是改善电池模组内电芯均匀性的有效方式，尤其是等差数列布置。电池模块的最大温差随着初始间距的增加而减小。电池初始间距达到5.5mm时，电池模块的最大温差可降低13％，最大电压差可降至2.5 mV。具有等差数列布置的电池模块内部的温度和放电的均匀性优于等比数列布置 ... Read More

锂离子电池外短路是被受关注的锂电池安全问题之一，当电池发生外短路时，瞬间电流极大，电芯内部会产生大量的热，当温度达到一系列副反应发生的温度将引发热失控。因此锂电池外短路仿真有着极为重要的意义。本模型通过数学模块的PDE接口及传热模块的耦合实现。电学模块通过PDE设置（0维），其核心利用电池剩余电量作为变量，通过COMOSL中内置的偏微分方程接口，将剩余电量对时间的偏导数作为流经电池的总电流。在偏微分方程中定义因变量qc,控制方程中ea为质量系数，da为阻尼系数，为守恒通量，f为源相，当ea设置为1，da设置为1，设置为0，源相f设置为-Is时，此时方程变为所需要方程 ... Read More

钒液流电池储能技术作为高效电化学储能技术之一，可应用于新能源储能，电网削峰填谷、调频调幅、应急电源等。钒液流电池储能技术具有独立的的额定功率和额定能量，高输出功率，低成本等特点[1]。本文采用分区建模，模型耦合的方式进行模拟。 结果: 钒液流电池在组装过程中需要一定的组装压力以避免电解液的泄漏，同时可减小电极与集流板的接触电阻[2]。如图1所示，有研究表明有流道的集流板与石墨毡电极接触并挤压时，由于流道脊与流道的不均匀表面，会使石墨毡电极出现非均匀压缩现象[3]。图2为均匀模型(SU-5)与非均匀模型(SNI-5)电池压降与实验结果(Exp-5)在CR=55.67 ... Read More

由于能源的消耗，太阳能电池越来越受到人们的关注。然而，作为商业中主要应用的晶硅太阳能电池存在表面入射光反射以及无法吸近红外光的性质限制了晶硅太阳能电池效率的进一步提高。因此，我们设计了一种内嵌二维光子晶体纳米圆锥的频率上转换超薄晶体硅太阳能电池，其中铒镱共掺氟化钇钠(NaYF4:Er3+/Yb3+)上转换层夹在Ag背反射层和活性层中间，利用COMSOL Multiphysics ®中波动光学模块系统的研究了具有不同结构和电介质填充材料纳米圆锥阵列对频率上转换晶硅太阳能电池陷光增效的影响。利用周期性边界条件及有限元的思想构建了电池计算单元，在300-1150 nm ... Read More