COMSOL Battery Design 6.2
DESCRIPCIÓN
El módulo Battery Design (antes Batteries and Fuel Cells Module) es una herramienta especializada diseñada para modelar todo tipo de baterías. El módulo ofrece interfaces perfectamente integradas y ajustadas para estudiar densidades de corriente primaria, secundaria, y terciaria en células electroquímicas. La célula puede contener electrodos sólidos o porosos y la disolución o electrolitos concentrados. Adicionalmente se pueden añadir acoplamientos multifísicos con transferencia de calor, flujo de fluidos y reacciones electroquímicas a través de las capacidades multifísicas de COMSOL.
El modelado de baterías requiere diferentes niveles de detalle según el propósito de las simulaciones. El módulo es un complemento a la COMSOL ® software que abarca descripciones en un amplio rango de escalas, desde las estructuras detalladas de electrodo poroso de la batería a la escala de batería incluidos los sistemas de gestión térmica.
Las descripciones involucran fenómenos físicos como el transporte de especies cargadas y neutras, balances de carga, reacciones químicas y electroquímicas, calentamiento Joule y efectos térmicos debido a reacciones electroquímicas, transferencia de calor, flujo de fluidos, así como otros fenómenos físicos importantes para la comprensión de un sistema de batería. Para sistemas bien conocidos y verificados, se encuentran disponibles modelos agrupados que pueden estar basados en la física o en circuitos equivalentes.
Tenga en cuenta que el nombre de este producto ha cambiado con el lanzamiento de la versión 5.6, conservando todas las funciones. Para los usuarios que modelan celdas de combustible y electrolizadores, hay disponible un nuevo módulo de celdas de combustible y electrolizadores.
SECTORES
El Módulo de Baterías y Células de Combustible se puede usar en un campo amplio de aplicaciones. Algunos de estos áreas son:
- Células de combustible alcalina
- Células de combustible de carbonato fundido
- Células de combustible de metanol directo (DMFC)
- Células de combustible de membrana de intercambio de protones (PMFC)
- Células de combustible de óxido sólido (SOFC)
- Baterías de ion litio
- Baterías de níquel hidruro
- Baterías de plomo y ácido
VERSIONES
6.2
NOVEDADES
Nuevas variables a nivel de celda SOC y SOH y marco de trabajo mejorado para establecer la distribución de carga inicial de la celda
Una nueva funcionalidad SOC and Initial Cell Charge Distribution está disopnible en las interfaces Lithium-Ion Battery y Battery with Binary Electrolyte que define automáticamente las variables a nivel de celda SOC y SOH. En los ajustes de la interfaz, al seleccionar la casilla de verificación Enable state of charge (SOC) and initial charge distribution se añadirá el nodo SOC and Initial Cell Charge Distribution en el Model Builder. Esta funcionalidad también se puede utilizar para establecer una distribución de carga inicial a nivel de celda basada en un SOC de celda inicial, un voltaje de celda de circuito abierto, potenciales de electrodos individuales o inventarios de carga de electrodos individuales.
Configuración de SOC y Distribución de carga inicial de la celda en el modelo tutorial Electrode Utilization in a Large-Format Lithium-Ion Battery Pouch Cell.
Resistencia de contacto
Para las interfaces electroquímicas, ahora se pueden incluir resistencias de contacto externas para las condiciones de contorno de Electric Ground, Electric Potential, Electrode Current y Electrode Power. En la interfaz Battery Pack, las resistencias de contacto internas se pueden incluir en las condiciones de contorno Negative Connectors y Positive Connectors. Esta función se puede habilitar mediante la casilla de verificación Include contact resistance en la ventana Settings, y la resistencia deseada también se puede especificar en el campo de texto.
La casilla de verificación Include contact resistance está habilitada en la configuración de Electrode Current en el modelo tutorial 1D Isothermal Sodium-Ion Battery.
Tortuosidades anisotrópicas
Para las interfaces Lithium-Ion Battery y Battery with Binary Electrolyte, la tortuosidad ahora se puede definir utilizando tensores anisotrópicos Diagonal o Symmetric en las funciones Porous Electrode, Separator, Porous Conductive Binder y Highly Conductive Porous Electrode. Para todas las características mencionadas anteriormente, la configuración del tensor se puede aplicar en la sección Effective Transport Parameter Correction de la configuración para especificar, por ejemplo, diferentes valores de conductividad y difusividad en el plano y a través del plano. Además, la interfaz Transport of Concentrated Species ahora admite tortuosidades anisotrópicas en medios porosos.
Nuevos modelos tutoriales
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1D Isothermal Sodium-Ion Battery |
Silicon–Graphite-Blended Electrode with Thermodynamic Voltage Hysteresis |
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Battery Electrode with a Particle Size Distribution |
Surrogate Model Training of a Battery Rate Capability Model |
6.1
NOVEDADES
La versión 6.1 presenta una nueva interfaz para modelar múltiples baterías, la capacidad de simular la transferencia de calor en capas de baterías y la adición del paso de estudio de estimación de parámetros.
Nueva interfaz de batería
Una nueva interfaz Battery Pack presenta un enfoque uno-a-muchos para configurar múltiples modelos de baterías concentradas y conectarlos en una geometría 3D. Esta interfaz se suele utilizar junto con una interfaz de Heat Transfer para modelar la gestión de paquetes térmicos. La interfaz también presenta eventos térmicos que pueden usarse para estudiar problemas de propagación de fugas térmicas. Puede verse esta adición en el nuevo modelo "Thermal Runaway Propagation in a Battery Pack" y en los modelos existenets "Thermal Distribution in a Pack of Cylindrical Batteries" y "Liquid-Cooled Lithium-Ion Battery Pack".
Distribución de temperatura en un paquete de batería durante la fuga térmica.
Nuevo nodo de capas de batería en transferencia de calor
Un nuevo nodo de dominio Battery Layers en las interfaces Heat Transfer hace posible modelar la transferencia de calor en las capas de las celdas de la batería utilizando un enfoque homogeneizado, donde las capas individuales de la celda no necesitan resolverse en la malla computacional. La homogeneización de la ecuación de calor se realiza mediante el uso de tensores de conductividad térmica anisotrópica, que se definen en función de la configuración de las capas de la batería y la conductividad térmica en las direcciones dentro y fuera de la capa. Vease esta función en el nuevo modelo "Thermal Runaway Propagation in a Battery Pack".
El nuevo nodo Battery Layers utilizado para configurar las propiedades de transferencia de calor de varias baterías cilíndricas. Para una configuración de capa enrollada en espiral (cilíndrica), el nodo crea su propio sistema de coordenadas multicilíndrico, utilizado para asignar diferentes conductividades térmicas a través de la capa y dentro de la capa a las capas en las celdas de la batería.
Estimación de parámetros ahora incluído en Battery Design Module
El paso de estudio Parameter Estimation y los resolvedores de optimización BOBYQA,Levenberg-Marquardt y IPOPT ahora están disponibles con la licencia del módulo Battery Design Module. La estimación de parámetros se utiliza habitualmente para determinar valores de parámetros adecuados para los modelos de baterías, basados en datos experimentales. El modelo "Parameter Estimation of a Time-Dependent Lumped Battery" ahora puede correr utilizando únicamente una licencia de Battery Design Module.
Estimación de parámetros (ajuste) de un modelo de batería concentrada utilizando datos de tensión experimental como entrada.
Condición de continuidad mejorada en los contornos del par de ensamblaje
Los pares de ensamblaje se utilizan normalmente cuando se utilizan elementos de malla que no coinciden en cada lado de un límite. La necesidad de utilizar pares de ensamblajes puede surgir al utilizar, por ejemplo, mallas de barrido en geometrías 3D complejas. En esta versión, la condición de contorno Continuity para las variables dependientes potenciales (tanto para las fases del electrodo como del electrolito) de los contornos de los pares de ensamblaje se ha mejorado significativamente en términos de su precisión y estabilidad numérica en las interfaces de Current Distribution y en Lithium-Ion y Battery with Binary Electrlyte.
Elementos de malla que no coinciden entre capas en el modelo Jelly Roll de la biblioteca de aplicaciones del módulo de diseño de batería.
Coeficientes de actividad de especies no ideales
La versión 6.1 presenta la funcionalidad para modelar electrolitos no ideales utilizando la teoría de Debye-Hückel. En tales electrolitos, incluso una pequeña variación en la concentración, en el rango milimolar, puede causar cambios medibles en cantidades como el pH y el potencial de equilibrio del electrodo. La capacidad de dar cuenta de los efectos no ideales en el modelado y la simulación es, por lo tanto, una adición importante a las interfaces electroquímicas. En esta versión ahora es posible incluir estos efectos en las interfaces Terciary Current Distribution, Nernst-Planck y Transport of Diluted Species. Los coeficientes de actividad se pueden definir utilizando la actividad de especies de Debye-Hückel o expresiones definidas por el usuario.
Rendimiento mejorado de evaluaciones de propiedades
El rendimiento mejorado de las evaluaciones de propiedades se nota en todos los cálculos de propiedades, como la densidad y la viscosidad, así como en las propiedades termodinámicas, como la capacidad calorífica y la presión de vapor. Los modelos en los que una parte importante del tiempo de solución se dedica a realizar evaluaciones de propiedades ahora se pueden resolver en hasta un 30% menos de tiempo.
Fórmulas químicas avanzadas
Ahora es posible utilizar fórmulas más avanzadas para especies químicas y reacciones químicas. Los signos de cierre (), [] y {} se pueden usar para indicar unidades estructurales en la fórmula molecular en un complejo de coordinación, por ejemplo. Para mejorar la legibilidad, se pueden usar nombres simplificados en la fórmula de reacción para indicar una especie completa o una parte de la estructura molecular. Cuando se realiza el balanceo de la reacción, se consideran la composición y la carga completas.
Funcionalidad mejorada para añadir especies a un sistema
Se ha ampliado y mejorado la funcionalidad para buscar especies en la base de datos y añadirlas a un modelo. Las especies filtradas de una búsqueda ahora se pueden agregar una a la vez usando la tecla Enter. Además, ya no es necesario restablecer el resultado del filtro cuando se ha agregado una especie.
Nuevos modelos tutoriales
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Jelly Roll |
Jelly Roll on a Flattened Geometry |
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Thermal Runaway Propagation |
Zinc Bromine Redox Flow Battery |
6
NOVEDADES
La versión 6.0 trae una formulación de tensión-esfuerzo de intercalación y un dominio aglutinante conductor poroso predefinido para el modelado de baterías de iones de litio, así como una secuencia de eventos para ciclos de carga/descarga.
Especies adsorbedoras-desabsorbentes
Las capacidades de modelado de la condición de contorno Electrode Surface existente se han ampliado con un conjunto de ecuaciones predefinidas que realizan un seguimiento de la ocupación del sitio de la superficie y la concentración superficial de las especies adsorbidas. La nueva sección Adsorbing-Desorbing Species permite modelar la cinética de adsorción-desorción y la termodinámica en las superficies de los electrodos en combinación con reacciones electroquímicas de varios pasos.
La variación de concentración en una geometría deformada de una vía de orificio pasante después de la deposición de cobre.
La nueva sección para la definición de procesos de adsorción-desorción en la ventana Ajustes de la superficie del electrodo. Los ajustes de reacciones no faradaicas incluyen las expresiones de velocidad de reacción para el proceso de adsorción-desorción.
Esfuerzos y deformaciones debido a la intercalación de litio
La intercalación de litio en los materiales de los electrodos, como el grafito, provoca la expansión y contracción del electrodo de la batería de iones de litio durante los ciclos de carga y descarga. Estas expansiones y contracciones provocan tensiones y deformaciones en los electrodos. Eventualmente, las tensiones y deformaciones pueden causar grietas en el electrodo, lo que resulta en el deterioro del rendimiento de la batería. En la interfaz de Mecánica de sólidos, se puede utilizar la nueva funcionalidad de Deformación por intercalación para estimar las tensiones y deformaciones de un diseño de electrodo determinado y utilizar las estimaciones para calcular el deterioro y el envejecimiento de los electrodos a lo largo del tiempo. Puede verse esta nueva función en el modelo tutorial Heterogeneous NMC Electrode, Heterogeneous Lithium-Ion Battery.
Las tensiones de von Mises en la microestructura del electrodo de una batería.
La interfaz de usuario muestra destacado el nodo Intercalation Strain y su ventana de Ajustes.
Dominio predefinido de aglutinante de conductor poroso
Los aglutinantes se utilizan en los electrodos de las baterías de iones de litio para mantener juntos los diferentes materiales de los electrodos y los colectores de corriente. La nueva funcionalidad Porous Conductive Binder permite asignar propiedades homogeneizadas a los dominios de unión correspondientes y, al mismo tiempo, definir las partículas del electrodo utilizando un enfoque heterogéneo de alta precisión. El modelo tutorial Heterogeneous NMC Electrode, Heterogeneous Lithium-Ion Battery utiliza esta nueva función.
El nodo de dominio Aglutinante conductivo poroso resaltado con sus ajustes y selecciones correspondientes en la ventana de Gráficos.
Secuencia de eventos para ciclos de carga/descarga con varios pasos
Al usar la interfaz de Eventos, ahora solo se necesita definir los estados en un ciclo (es decir, voltaje o corriente), la condición final o la duración de un paso en una secuencia. Las variables de estado que controlan las condiciones de contorno o configuración de dominio en el modelo se generan automáticamente, con la correspondiente transición entre los diferentes estados. Puede verse esta nueva actualización en el modelo tutorial Electrochemical Capacitor with Porous Electrodes.
El árbol del modelo muestra una secuencia de un paso de corriente constante seguido de un paso de voltaje constante, con un paso de descanso al final. La figura muestra tres secuencias diferentes de ciclos de carga y descarga.
Nueva interfaz multifísica Batería de iones de litio, Geometría deformada
Con la nueva interfaz multifísica Lithium-Ion Battery, Deformed Geometry puede acoplarse automáticamente la distribución de densidad de corriente y la deformación del electrodo de metal de litio, debido a la deposición y disolución del metal. El acoplamiento combina el transporte de electrolitos basado en solución de concentración (utilizado en el modelo de Newman) con la funcionalidad para modelar mallas móviles, para tener en cuenta los cambios de geometría durante los ciclos de carga y descarga. Puede verse esta nueva interfaz en el modelo tutorial Lithium Plating with Deformation.
El cambio en la geometría del electrodo de litio, ubicado en la parte inferior de el gráfico anterior, muestra el crecimiento del espesor del electrodo de metal de litio.
Deslizamiento poroso para la interfaz de ecuaciones de Brinkman
La capa límite en el flujo en medios porosos puede ser muy delgada y poco práctica de resolver en un modelo de ecuaciones de Brinkman. La nueva opción de tratamiento de paredes deslizantes porosas permite tener en cuenta las paredes sin resolver el perfil de flujo completo en la capa límite. En cambio, se aplica una condición de tensión en las superficies, lo que produce una precisión decente en el flujo masivo mediante la utilización de una solución asintótica del perfil de velocidad de la capa límite. La funcionalidad se activa en la ventana Ajustes de la interfaz de Ecuaciones de Brinkman y luego se utiliza para la condición de pared predeterminada. Esta nueva característica se puede utilizar en la mayoría de los modelos que involucran flujo subterráneo descrito por las ecuaciones de Brinkman y donde el dominio del modelo es grande.
La opción Porous Slip está disponible en la ventana de Ajustes de la interfaz de Ecuaciones de Brinkman
Transferencia de calor en medios porosos
La funcionalidad de transferencia de calor en medios porosos se ha renovado para que sea más fácil de usar. Una nueva área física de Medios porosos ahora está disponible en la rama de Transferencia de calor e incluye las interfaces de Transferencia de calor en medios porosos, Desequilibrio térmico local y Transferencia de calor en lecho empacado. Todas estas interfaces tienen una función similar, la diferencia es que el nodo Medio poroso predeterminado dentro de todas estas interfaces tiene una de tres opciones seleccionadas: Equilibrio térmico local, Desequilibrio térmico local o Lecho empacado. La última opción ha sido descrita anteriormente. La interfaz de Desequilibrio térmico local, que reemplazó al acoplamiento multifísico, corresponde a un modelo de dos temperaturas: una para la fase fluida y otra para la fase sólida. Las aplicaciones típicas pueden implicar un calentamiento o enfriamiento rápido de un medio poroso debido a la fuerte convección en la fase líquida y la alta conducción en la fase sólida, como en las espumas metálicas. Cuando se selecciona la interfaz Equilibrio térmico local, hay nuevas opciones de promedio disponibles para definir la conductividad térmica efectiva según la configuración del medio poroso.
Además, las variables de posprocesado están disponibles de forma unificada para cantidades homogeneizadas para los tres tipos de medios porosos.
Las opciones para los tipos de medios porosos ahora se pueden seleccionar desde la función Medio poroso.
Opciones para definir la conductividad térmica efectiva en medios porosos en equilibrio térmico local.
Flujo de reacción no isotérmica
Ahora hay interfaces multifísicas de Flujo reactivo no isotérmico que configuran automáticamente modelos de flujo reactivo no isotérmico. El acoplamiento multifísico Reacting Flow ahora incluye la opción de acoplar las interfaces Química y Transferencia de calor. Con este acoplamiento, las contribuciones cruzadas entre el calor y las ecuaciones de especies, como la entalpía de cambio de fase o el término de difusión de entalpía, se incluyen en el modelo. La temperatura, la presión y la dependencia de la concentración de diferentes cantidades y propiedades del material también se tienen en cuenta automáticamente, lo que permite realizar el balance de calor y energía utilizando las variables predefinidas correspondientes. Esta nueva función puede verse en el modelo tutorial Dissociation in a Tubular Reactor.
Distribución de temperatura en un reactor tubular.
Flujo no isotérmico en medios porosos
La nueva interfaz multifísica de Flujo no isotérmico, Ecuaciones de Brinkman añade automáticamente el acoplamiento entre la transferencia de calor y el flujo de fluido en medios porosos. Combina las interfaces Transferencia de calor en medios porosos y Ecuaciones de Brinkman. Puede verse esta nueva característica en el modelo tutorial Free Convection in a Porous Medium.
El ejemplo tutorial Free Convection in a Porous Medium hace uso de la nueva funcionalidad de flujo no isotérmico. Temperatura (K) en una estructura porosa sometida a gradientes de temperatura y posterior convección libre.
Gestión muy mejorada de materiales porosos
Los materiales porosos ahora se definen en la tabla Propiedades específicas de fase en el nodo Material poroso. Además, se pueden añadir subnodos para las características sólidas y fluídicas donde se pueden definir varios subnodos para cada fase. Esto permite el uso de un mismo material poroso para el flujo de fluidos, el transporte de especies químicas y la transferencia de calor sin tener que duplicar las propiedades y configuraciones del material.
El nuevo nodo Materials para Porous Material ejemplificado en un modelo multiescala de un lecho empacado.
Nuevos modelos tutoriales
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Heterogeneous NMC Electrode |
Homogenizing a Heterogeneous Electrode Model |
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Electrochemical Capacitor with Porous Electrodes |
Parasitic Reactions in an Electrochemical Capacitor |
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Lithium Plating with Deformation |
5.6
NOVEDADES
Generación automática de resolvedores iterativos
Los resolvedores Geométrico iterativo y multimalla algebraico ahora son generados automáticamente por los nodos de pasos de estudio (sin embargo, un resolvedor Directo seguirá siempre siendo utilizado por defecto). Habilitar uno de los resolvedores iterativos puede disminuir la memoria utilizada y el tiempo de cálculo en grandes simulaciones.
Electrodo poroso de alta conductividad
El nuevo nodo de dominio Electrodo poroso de alta conductividad está disponible en la mayoría de las interfaces electroquímicas. Esta funcionalidad puede ser utilizada para electrodos porosos con una alta conductividad en la fase de electrodo de conducción de electrones. Reemplaza la variable espacial para el potencial de electrodo por una variable global, reduciendo asi el número de grados de libertad del problema.
Linealización de dependencia de la concentración en cinética de electrodo
La nueva opción Linealizar... mejora la cinética para órdenes de reacción no unitarias al evitar problemas al evaluar potencias de números negativos. Esta función está disponible en los nodos Reacción en electrodo y Reacción en electrodo poroso en las interfaces de Distribución de corriente terciaria cuando se utiliza la ecuación de Nernst para el potencial de equilibrio en combinación con la Ley de acción de masas o de Múltiples pasos concentrados para la densidad de corriente de intercambio. La nueva opción Linealizar está activada de forma predeterminada al crear un nuevo modelo y es utilizada por todos los modelos tutoriales que presentan la ecuación de Nernst y la ley de acción de masas o las opciones de cinética de varios pasos concentrados.
Nueva función de medio poroso
Se encuentra disponible una nueva característica para el manejo de un medio poroso para definir las diferentes fases: sólidos, fluidos y fluidos inmóviles. En la interfaz Transferencia de calor en medios porosos, la función Medio poroso se utiliza para gestionar la estructura del material con una subfunción dedicada para cada fase: fluido , matriz porosa y, opcionalmente, fluidos inmóviles. Este nuevo flujo de trabajo proporciona mayor claridad y mejora la experiencia del usuario. También facilita los acoplamientos multifísicos en medios porosos de una forma más natural. Combinado con el transporte de humedad y el flujo de medios porosos interfaces, las mejoras en la transferencia de calor en medios porosos permiten modelar el flujo no isotérmico y el almacenamiento de calor latente en medios porosos.
Características renovadas de los medios porosos para el transporte de especies diluidas
La interfaz de Transporte de especies diluidas en medios porosos se ha renovado para utilizar el nuevo nodo Medio poroso. Dos nuevas características de dominio, los nodos de Medio poroso y Medio poroso insaturado, están disponibles en la interfaz de Transporte de especies diluidas en medios porosos. Puede utilizarse el nuevo nodo Medio poroso para asignar propiedades de material a las múltiples fases en un medio poroso. Los nuevos nodos tienen contenedores dedicados para definir las propiedades del líquido, el gas y la matriz porosa. Puede verse esta funcionalidad en el tutorial "Ceramic Water Filter with Activated Carbon Core".
Concentración de contaminantes en una vela de filtro de agua cerámico.
Funcionalidad nueva y mejorada para la interfaz Circuito eléctrico
Para estudios dependientes del tiempo, la interfaz de Circuito eléctrico se ha equipado con una función de Interruptor "basada en eventos". Esto le permite modelar el encendido y apagado "instantáneo" de ciertas conexiones en el circuito. El interruptor puede ser controlado por corriente, por voltaje o controlado por expresiones booleanas definidas por el usuario.
Además, se añaden Definiciones de subcircuitos parametrizados. Junto con la Instancia de subcircuito, estos permiten crear sus propios bloques de construcción que contienen circuitos más pequeños y usar múltiples variantes parametrizadas de las del circuito más grande. Finalmente, se ha mejorado la maquinaria de estados, eventos y resolvedor, especialmente el modelado transitorio de dispositivos no lineales (semiconductores), que se ha vuelto más robusto.
Las mejoras del circuito se desarrollan principalmente para el módulo AC/DC, pero también se benefician otros módulos que brindan acceso a la interfaz del circuito eléctrico.
Amplio soporte para análisis de frecuencias propias
El estudio Frecuencias propias ahora está soportado en la mayoría de las interfaces del Módulo AC/DC: Corrientes eléctricas, Corrientes eléctricas en cáscaras, Corrientes eléctricas en cáscaras de capas, Circuito eléctrico, Electrostática y Campos magnéticos. Además de soportar el análisis modal de la cavidad de onda completa en la interfaz Campos magnéticos, es posible correr análisis de frecuencas propias con modelos que involucren circuitos eléctrios. El soporte de frecuencias propias se ha desarrollado principalmente en el módulo AC/DC, pero otros módulos que proporcionan una de las interfaces físicas afectadas también se beneficiarán de él.
Pico de resonancia de un circutio RLC simple. Se analizan las frecuencias propias y el factor Q y se comparan con los valores determinados analíticamente.
Nuevo modelo tutorial Lithium Sulfur Battery
El nuevo tutorial "Lithium-Sulfur Battery" de la Biblioteca de aplicaciones puede utilizarse para modelar el comportamiento de carga-descarga de una betería de litio-sulfuro con varias tasas. El modelo está definido en la interfaz Distribución de corriente terciaria, Nernst-Planck y utiliza la nueva funcionalidad Especies disueltas-depositadas en el nodo Separador. La convergencia se ha mejorado en gran medida con la nueva opción Linealización.
Nuevos modelos tutoriales
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Lithium-Sulfur Battery |
1D Isothermal Nickel-Cadmium Battery |
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Lithium Battery Pack Designer |
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5.5
NOVEDADES
La versión 5.5 incluye una opción de balance de carga de conductores de ion único para el modelado de baterías de estado sólido, una interfaz para el cálculo de potencial de equilibrio utilizando la ecuación de Nernst, y la generación de cinética de Butler-Volmer dependiente de la concentración, a parir de ecuaciones químicas.
Opción de balance de carga de conductor de ión único para modelado de batería de estado sólido
Un nuevo modelo de balance de carga de conductor de ion único se ha añadido a la interfaz Lithium-Ion Battery, junto con una nueva entrada de ayudante de modelo Lithium-Ion Battery, Single-Ion Conductor. El modelo de balanza de carga de conductor con ion único puede se utilizado típicamente para modelar electrolitos de estado sólido. Puede verse la funcionalidad en el modelo Lithium-Ion Battery with Single-Ion Conduction Solid Electrolyte.
Mejoras a la interfaz de batería concentrada
- Tres nuevos modos de operación están disponibles en la interfaz Lumped Battery: Potentiostatic, Power y Circuit Voltage Source
- Se ha añadido un nodo Short Circuit a la interfaz Lumped Battery
- Nuevas opciones definidas por el usuario y From definitions para la entrada de tensión de circuito abierto
- Disponible en el
- nodo Cell Equilibrium Potential en la interfaz Lumped Battery
- nodo Battery Open Circuit Voltage en la interfaz Electric Circuit
- Estas nuevas funcionalidades permiten especificar los datos de potencial de equilibrio únicamente una vez en un modelo disponiendo de múltiples baterías
- Disponible en el
Cálculo del potencial de equilibrio utilizando le ecuación de Nernst
En las funcionalidades Electrode Reaction y Porous Electrode Reaction, el potencial de equilibrio de las reacciones del electrodo pueden ser definidas utilizando la nueva opción Nernst Equation, facilitando la configuración de modelos termodinámicamente consistentes. En las interfaces físicas que resuelven concentraciones múltiples, como las interfaces Tertiary Current Distribution y Chemistry, el potencial de equilibrio automáticamente será dependiente de la concentración, basándose en la estequiometría de reacción. Todos los modelos de la librería de aplicaciones que disponen de potenciales de equilibrio Nernstiano han sido actualizados para utilizar la nueva funcionalidad.
Cinética de Butler-Volmer dependiente de la concentración
En la funcionalidades Electrode Reaction y Porous Electrode Reaction, la densidad de corriente de intercambio de las expresiones de cinéticas Butler-Volmer y Linearized Butler-Volmer ahorapueden ser automáticamente definidas para ser dependientes de la concentración, basándose en la estequiometría de la reacción. La opción está disponible si la opción Nernst equation es utilizada cl definir el potencial de equilibrio. En la interfaz Tertiary Current Distribution, Nernst-Planck, las opciones Mass action law y Lumped multistep están disponibles para el tipo de densidad de corriente de intercambio. Se han actualizado todos los modelos de la Librería de Aplicaciones que disponen de potenciales de equilibrio Nernstiano, para que usen la nueva funcionalidad.
Sección de ajustes para la cinética del electrodo en la interfaz Tertiary Current Distribution, Nernst-Planck. La densidad de corriente de intercambio se calculará automáticamente de la estequiometría de reacción y concentraciones de especies.
Reacciones de electrodo en la interfaz química y termodinámica
La interfaz Chemistry, añadida al módulo Batteries and Fuel Cells Module en la versión 5.5, ahora dispone de nodos Electrode Reactions y Electrode Reaction Group. La interaz Chemistry permite definir especies múltiples y reacciones de electrodo, así como reacciones químicas ordinarias. También, las propiedades de mezcla y termodinámica, como potenciales de equilibrio, pueden ser calculados automáticamente por la interfaz Chemistry. Las variables definidas por estas funcionalidades, como las densidades de corriente local y potenciales de equilibrio, pueden estar acopladas a cualquier otra interfaz física aplicable. Adicionalmente, la funcionalidad Thermodynamics se ha añadido al módulo Batteries & Fuel Cells Module 5.5. El nodo Thermodynamics puede utilizarse para calcular propiedades de la mezcla, y otras propiedades termodinámicas, como potenciales de equilibrio y calor de reacción. Puede verse la funcionalidad en el modelo Solid Oxide Electrolyzer.
Nueva condición de entrada de tasa de flujo de masa
En la interfaz Transport of Concentrated Species se puede especificar tasas de flujo de masa con la funcionalidad Inflow. También la interfaz Darcy's Law ahora permite ajustar la tasa de flujo de masa total en el nodo Inlet. Esta nueva funcionalidad facilita la investigación del rendimiento de células de combustible respecto a una corriente de célula dad y una tasa de flujo de gas (estequiometría del gas). La funcionalidad se muestra en el modelo Solid Oxide Electrolyzer.
Nuevos modelos de adsorción
Las interfaces Transport of Diluted Species in Porous Media y Transport of Diluted Species in Fractures incluye dos nuevas isotermas de adsorción para predecir la adsorción de especies disueltas en medios porosos. Se han añadido las isotermas Brunauer–Emmett–Teller (BET) y Toth a las ya existentes Langmuir y Freundlich.
5.4
NOVEDADES
- Se ha añadido una tortuosa opción para corrección del parámetro de transporte efectivo para los nodos de dominio que modelan transporte en medios porosos. Esta posición está disponible en las interfaces de Distribución de corriente primaria y Distribución de corriente secundaria; Distribución de corriente terciaria, Nernst-Planck; Batería de ion de litio; Batería con electrodo binario; Batería de partícula simple; y de Transporte electroforético.
- Se ha añadido un ajuste de Equilibrium Potential Handling (Primary Condition) a los nodos de Superficie de electrodo y Superficie de electrodo poroso. Cuando existen múltiples subnodos de Electrode Reaction/Porous Electrode Surface presentes, estos ajustes controlan que potencial de equilibrio se utilizará en un estudio de Inicialización de la Distribución de Corriente.
- Una nueva funcionalidad de dominio de Membrana de Intercambio de Iones se ha añadido a la interfaz Distribución de Corriente Terciario, Nernst-Planck.
- Ahora está disponible una funcionalidad mejorada de Contorno de Membrana de Intercambio de Iones en la interfaz Tertiary Current Distribution, Nernst-Planck que soporta tranporta de múltiples iones a través de la membrana.
- PARDISO ahora es el valor por defecto para el resolvedor Directo en las interfaces de Distribución de corriente y Batería.
- Se han añadido flujos de contorno precisos a la interfaz de Transporte Electroforético.
- Nuevas funcionalidades de Reacción de equilibrio y Reacción de equilibrio de superficie están disponibles en la interfaz de Transporte de especies concentradas.
- Se ha añadido un nuevo nodo Fast Irreversible Surface Reaction a las interfaces Tertiary Current Distribution, Nernst-Planck and Transport of Diluted Species.
- Una nuevo tipo de expresión de cinética de electrodo Fast Irreversible Electrode Reaction se ha añadido al subnodo de Electrode Reaction del nodo Electrode Surface en las interfaces de Electroanalysis and Transport of Diluted Species. La misma funcionalidad se ha añadido también a las funcionalidades de Internal Electrode Surface y Thin Electrode Surface en la interfaz Tertiary Current Distribution, Nernst-Planck.
- La interfaz Electrostática ahora soporta el paso de estudio Frequency Domain, Perturbation.
- La variable dependiente para el potencial Eléctrico ahora utiliza elementos cuadráticos en las interfaces Tertiary Current Distribution, Nerst-Planck; Lithium-Ion Battery; Battery with Binary Electrode; y Lead-Acid Battery.
- Una nueva sección Heat of Reaction ha sido añadida a los nodos Electrode Reaction y Porous Electrode Reaction en las interfaces electroquímicas. La nueva sección soporta el ajuste de la tensión termoneutral.
- Una funcionalidad de condición periódica mejorada en las interfaces Primary Current Distribution; Secondary Current Distribution; y Tertiary Current Distribution, Nernst-Planck proporciona una opción para ajustar la periodicidad separadamente para las fases de electrolito y electrodo, y para ajustar el offset de potencial.
- Se dispone de una nueva interfaz Lumbed Battery. Esta proporciona una aproximación simplificada (en comparación por ejemplo con las interfaces Lithium-Ion Battery o Single Particle Battery) para el modelado de baterías.
- En el Model Wizard existe una nueva entrada de Battery Equivalent Circuit.
- Se ha añadido la interfaz Electrical Circuit al Módulo Batteries & Fuel Cells.
- El nodo Battery Open Circuit Voltage en la interfaz Electrical Circuit ahora está disponible en el módulo Batteries & Fuel Cells.
- Se han añadido datos dEeqdT para electrodos NMC, LTO y NCA a la Librería de materiales de Batteries & Fuel Cells.
- Datos Eeq y cEeqref actualizados para electrodos NCA en la Librería de materiales de Batteries & Fuel Cells.
- El nodo Circuit Terminal y la condición de contorno Circuit Terminal en el nodo Electrode Surface se ha añadido al módulo Batteries & Fuel Cells.
- Se ha añadido el nodo de operación Circuit Terminal en la interfaz Signel Particle Battery al módulo Batteries & Fuel Cells.
- Existe una nueva sección Stress and Strain en el nodo Particle Intercalation en las interfaces Lithium-Ion Battery con Binary Electrode. Los ajustes de la sección son utilizados para calcular variables de tensión y deformación.
- El resolvedor por defecto para las interfaces de baterías ahora tienen la casilla de verificación Reuse sparsity pattern habilitada en la sección Assembly Settings del nodo Advanced Solver. Este ajuste tipicamente reduce el tiempo de cálculo alrededor del 10% para modelos dependientes del tiempo.
- Para los nodos Porous Electrode Reaction y Electrode Reaction en las interfaces de baterías (Lithium-Ion Battery, Battery with Binary Electrode, Lead-Acid Battery, y Singel Particle Battery), las entradas de los parámetros Equilibrium Potential Eeq y dEeqdT ahora se toman de los Materials por defecto.
- Gráficos por defecto mejorados. Los gráficos de vectores para modelos que no utilicen dominios Porous Electrode ahora utilizan gráficos de líneas de flujo con la nueva funcionalidad de flechas.
- Formulación mejorada para los nodos Flux y No Flux incluidos en las interfaces de transporte de masa
- El flujo relativo al flujo convectivo se prescribe en lugar del flujo total.
- La nueva formulación implica que los nodos pueden ser utilizados en una geometría de malla móvil sin compensar la velodicad de contorno.
- Interfaces afectadas: Transport of Diluted Species; Transport of Diluted Species in Porous Media; Transport of Concentrated Species, Tertiary Curren Distribution, Nernst-Planck; Electroanalysis; y Electrophoretic Transport.
- Visualización de ecuación actualizada para las ecuaciones gobernantes y condiciones de contorno en las interfaces de transporte de masa. Ecuaciones actualizadas para formularse en términos del flujo relativo al flujo convectivo.
- El nuevo ajuste Account for Stefan velocity está disponible en los nodos Flux, Mass Fraction, y Electrode Surface Coupling en la interfaz Transport of Concentrated Species.
5.3a
NOVEDADES
La versión 5.3a incluye una nueva aplicación para diseño de baterías de ion de litio, un nuevo modelo de difusión de Baker-Verbrugge y dos nuevos tutoriales de baterías.
Nueva app de demostración: Battery Designer
La nueva aplicación Battery Designer puede utilizar como herramienta de diseño para desarrollar una configuración de batería optimizada para un uso específico. La app calcula la capacidad, eficiencia energética, generación de calor y pérdidas de capacidad debidas a reacciones parásitas de una batería de ion de litio para un ciclo de carga específico. En la app, se pueden controlar varios parámetros de diseño de la batería, como: las dimensiones geométricas del recipiente de la batería; el grosor de los diferentes componentes (separador, colectores de corriente y electrodos); el material del electrodo positivo; y las fracciones de volumen de las diferentes fases de los materiales porosos. El ciclo de carga es un ciclo de carga-descarga que utiliza una carga de corriente constante, lo que puede ser distitnto para los estados de carga y descarga. La app también calcula la temperatura de la batería, considerando una temperatura de batería interna uniforme, basada en el calor generado y la masa térmica. El enfriamiento se define utilizando un parámetro de temperatura ambiente y un coeficiente de transferencia de calor.
Interfaz de usuario de la app Battery Designer.
Interfaz de flujo en medios libre y poroso renovada
Con la nueva versión de la interfaz Flujo en medio libre y poroso se puede acoplar flujo laminar o libre turbulento con flujo en medios porosos. Esta interfaz sigue siendo única en su acoplamiento con las interfaces electroquímicas para el modelado de electrodos porosos.
Modelo de permeabilidad de Kozeny-Carman
El modelo de permeabilidad de Kozeny-Carman, disponible para la interfaz de Ley de Darcy en COMSOL Multiphysics 5.3a, permite estimar la permeabilidad de medios granulares a partir de la porosidad y el diámetro de las partículas.
Nuevo modelo de difusión en el nodo Particle Intercalation
El nuevo modelo de difusión de Baker-Verbrugge, en las interfaces de Batería de ion de litio y Batería con electrodo binario, añade una correción al coeficiente de difusión en las partículas del electrodo basadas en el potencial de equilibrio de la reacción de intercalación. Generalmente el modelo Baker-Verbrugge es mejor para capturar tasas de transporte dependientes del estado de la carga y fenómenos de puesta en escena.
Perfiles de concentración en una partícula del electrodo de una batería de ion de litio. Para este modelo, el modelo de difusión de Baker-Verbrugge muestra un efecto pronunciado de "puesta en escena" entre las concentraciones de 9000 a 11000 mol/m3.
Nuevo modelo tutorial: Heterogeneous Li Battery
La última tendencia en el modelado de baterías de alta fidelidad es modelar la estructura de los electrodos porosos en detalle, en los llamados modelos heterogéneos. Este nuevo tutorial describe el comportamiento de una celda unidad de una batería de ion de litio modelada utilizando una geometría tridimensional idealizada. La geometría imita los detalles estructurales en los electrodos porosos. Estos modelos se refieren a modelos heterogéneos. En contraste con el típico enfoque homogeneizado para describir electrodos porosos, los modelos heterogéneos describen las formas reales del electrolito del poro y las partículas del electrodo. El modelo también utiliza un acoplamiento con la mecánica estructural para calcular las tensioines de von Mises en las partículas. Estas tensioines pueden utilizarse para estimar ciclos de fatiga y así también estimar posibles pérdidas de rendimiento debidas a grietas formadas durante el ciclo. El nodo Reacción de electrodo de la interfaz Batería de ion de litio se ha actualizado con un nuevo tipo de cinética de reacción de Inserción de litio, que es utilizado en el nuevo modelo tutorial.
Nota: Este modelo también requiere Structural Mechanics Module.
Distribución de concentración en las partículas del electrodo. Del tutorial Heterogeneous Li Battery en la Biblioteca de aplicaciones de Batteries & Fuel Cells.
Nuevo modelo tutorial: Lumped Li Battery Parameter Estimation
Este nuevo tutorial utiliza un enfoque de "caja negra" para definir un modelo de batería basado en un pequeño conjunto de parámetros concentrados, considerando desconocimiento de la estructura interna, el diseño de los electrodos de la batería o la elección de los materiales. La entrada al modelo es la capacidad de la batería, el estado de carga inicial (SOC), y una tensi´n de circuito abierto vs. curva SOC, en combinación con los datos experimentales de ciclo de carga. La estimación de parámetros de los parámetros concentrados se obtiene utilizando la interfaz de Optimización.
Nota: Este modelo también requiere Optimization Module
5.3
NOVEDADES
La versión 5.3 incluye una nueva condición de contorno para ciclos de carga-descarga, nuevas condiciones de contorno para modelado de capas finas, así como nuevas interfaces físicas para modelar flujo reactivo en medios porosos y transporte de especies químicas en fracturas.
Condición de contorno interna de membrana de intercambio de iones en la interfaz Distribución de corriente terciaria, Nernst-Planck
El nuevo nodo de Membrana de intercambio de iones especifica una condición de contorno donde el flujo de iones es continuo, pero donde el potencial del electrolito es discontinuo y se describe por un equilibrio de Donnan. Esta condición se utiliza típicamente en celdas electroquímicas que contienen tanto electrolitos libres como membranas de intercambio de iones, por ejemplo, en problemas de diálisis. Un cambio de potencial de Donnan sobre la interfaz se calcula automáticamente a partir de las concentraciones del ion portador de carga en cada lado de la interfaz.
Potencial del electrolito en una batería de flujo redox de vanadio mostrando los cambios de potencial en las interfaces entre el electrolito libre y la membrana de intercambio de iones.
Nuevos modelos de conservación de carga en la interfaz Distribución de corriente terciaria, Nernst-Planck
Esta interfaz ahora soporta cuatro modelos de conservación de carga diferentes: electroneutralidad, basada en agua con electroneutralidad, soportando electrolito y Poisson.
Funcionalidad de Capa de electrodo fino
La funcionalidad de Capa de electrodo fino puede utilizarse para modelar un revestimiento fino aislante o resistivo, localizado en un contorno interno en un dominio de electrodo. La funcionalidad puede utilizarse como alternativa a dibujar el domino de capa real en la geometría del modelo, lo que reduce significativamente el mallado y el tiempo de resolución, especialmente en modelos 3D. Una capa de electrodo fino puede utilizarse para modelar, por ejemplo, una impedancia de contacto entre dos conductores electrónicos. La capa puede configurarse para que sea aislante o resistiva.
Capa de electrolito fino
La funcionalidad de Capa de electrolito fina especifica una capa de electrolito fina en un contorno interno entre dos dominios de electrolito. El nodo puede utilizarse como una alternativa a dibujar la capa real como un dominio en la geometría del modelo para reducir significativamente el mallado y el tiempo de resolución. La condición puede configurarse para que sea aislante, resistiva o una membrana de intercambio de iones. Esta funcionalidad reemplaza a la funcionalidad de Capa aislante fina de versiones anteriores.
Condiciones cíclicas de carga-descarga
Se puede utilizar la condición de contorno de Ciclos de carga-descarga para especificar ciclos de carga en simulaciones dependientes del tiempo, donde la conmutación entre carga y descarga depende de la tensión (o corriente) de celda resultante. Esta funcionalidad puede utilizarse, por ejemplo, para la simulación de ciclos de corriente-constante/tensión-constante (CCCV) en baterías. Los ciclos de carga-descarga ahora también están disponibles como una condición de contorno en el nodo de Superficie de electrodo y como un modo de operación en la interfaz de Batería de partícula simple.
Corriente y potencial durante un ciclo de carga-descarga (corriente constante-tensión constante) de una betería de ion de litio. De la Librería de aplicaciones del módulo Batteries & Fuel Cells.
Condición de terminal de circuito
Se puede utilizar la funcionalidad de Terminal de circuito en un contorno para especificar un acoplamiento al nodo I vs. U externo en la interfaz de Circuito eléctrico del módulo AC/DC. La condición de Terminal de circuito ahora está disponible como condición de contorno en el nodo Superficie de electrodo y como modo de operación en la interfaz de Baterías de partícula simple. Esto permite incluir modelos de baterías de alta fidelidad en simulaciones de circuitos.
Nueva interfaz de flujo reactivo en medios porosos
Modelar camas empacadas, reactores monolíticos y otros reactores heterogéneos catalíticos se simplifica sustancialmente con la interfaz de Flujo reactivo en medios porosos. Esta define la difusión, convección, migración y reacción de especies químicas para flujo en medios porosos, sin tener que configurar interfaces separadas y acoplarlas. La interfaz multifísica automáticamente combina todos los acoplamientos e interfaces físicas requeridas para el modelado de catálisis heterogéneas junto con flujo en medios porosos y transporte de especies químicas diluidas o concentradas.
Como que esta interfaz multifísica complementa a otras similares para flujo laminar y turbulento, se puede cambiar o definir nuevos acoplamientos a otros tipos de modelos de flujo sin tener que redefinir y configurar una nueva interfaz para los fenómenos físicos participantes. La ventana de Ajustes permite seleccionar el tipo de flujo a modelar así como el transporte de las especies químicas, sin pérdida de ninguna de las propiedades de los materiales definidas o las cinéticas de reacción. Esto significa que se pueden comparar diferentes estructuras de reactores o modelar flujo tanto en medios libres como en medios porosos en un reactor, incluso cuando los dos regímenes están conectados (ver imagen).
Modelado de un microrreactor poroso mostrando las isosuperficies de concentración de un reactivo inyectado a través de una aguja vertical en un flujo libre que contiene un segundo reactante que entonces se fuerza a través de una sección de medios porosos catalítica monolítica del reactor. El modelo ahora puede ser definido completamente con la nueva interfaz multifísica de Flujo reactivo en medios porosos.
Nueva interfaz de Tranporte de especies diluidas en fracturas
Las Fractura tienen un grosor que es muy pequeño en comparación con sus dimensiones de longitud y anchura. A menudo es difícil de modelar el transporte de especies químicas en tales fracturas teniendo que mallar el grosor de la superficie de la fractura, debido a la relación de aspecto que hay que tratar por las grandes diferencias en las dimensiones de los tamaños. La nueva interfaz de Transporte de especies diluidas en fracturas trata la fractura como una placa, donde únicamente las dimensiones transversales son malladas como una malla superficial..
La interfaz permite definir el grosor medio de la fractura, así como la porosidad en los casos donde la fractura se considera como una estructura porosa. Para el transporte de especies químicas, la interfaz permite la definición de modelos de difusividad efectiva para incluir efectos de porosidad. Se puede acoplar transporte convectivo a una interfaz de Flujo de película delgada o incluyendo sus propias ecuaciones para definir el flujo del fluido a través de la fractura. Además, puede definirse que ocurran reacciones químicas dentro de las fracturas, en sus superficies o en un medio poroso que abarque la fractura.
Transporte de especies diluidas a lo largo de una superficies de fractura ligeramente curvada. La superficie curvada consta de una tortuoso camino grabado a tavés de la superficies donde existen flujo y transporte de especies químicas.
Superficies de fractura en la interfaz de Transporte de especies diluidas en medios porosos
En casos donde el transporte ocurre en una fractura, estructura porosa 3D, la nueva condición de contorno Fractura permite modelar transporte en fracturas delgadas sin tener que mallarlas como entidades 3D. La condición de contorno Fractura es incluida en la interfaz de Transporte de especies diluidas en medios porosos (ver imagen) y tiene los mismos ajustes que la interfaz de Transporte de especies diluidas en fracturas (descrita anteriormente). El flujo de fluido y el transporte de especies químicas se acoplan perfectamente entre una estructura de medio poroso 3D y un flujo de fluido y transporte de especies químicas en una fractura.
la imagen inferior muestra el campo de concentración en un modelo de reactor poroso. En el modelo, una fractura retorcida "filtra" reactantes profundamente en el catalizador poroso, de izquierda a derecha, a una velocidad más rápida que el transporte a través del medio poroso. Esto ocurre así porque la superficie de la fractura tiene una porosidad media mucho más alta en comparación con el catalizador poroso circundante, que proporciona una tasa de transporte de masa más alto.
Niveles de concentración a través del reactor 3D y concentración de superficie en la superficie de la fractura. La tasa de transporte de masa más alta en la superficie de la fractura proporciona una penetración más grande (de derecha a izquierda) de especies no reaccionadas en la cama del catalizador. Se puede ver que el cambio en la concentración de derecha a izquierda es muy pequeña en la superficie de la fractura (de 0.63 a 0.62 mol/m3)
p>Nueva interfaz de transporte electroforético
La nueva interfaz de Transporte electroforético puede utilizarse para investigar el transporte de ácidos débiles, bases, y anfólitos en solventes acuosos. La interfaz física típicamente se utiliza para modelar varios modos electroforéticos, como electroforesis zonal, isotacoforesis, enfoque isoeléctrico y electroforesis de contorno móvil, pero es aplicable a cualquier sistema acuoso que involucre múltiples equilibrios ácido-base.
5.2a
NOVEDADES
Batteries & Fuel Cells Module versión 5.2a incluye una nueva interfaz multifísica de flujo reactivo para acoplar flujo de fluido y reacciones en gases y líquidos y una nueva interfaz de batería de partículas simples, que simplifica el modelado de baterías de ion de litio y níquel-metal hidruro. La funcionalidad ampliada para las interfaces de Batería de ion de litio y Batería con electrodo binario incluyen una opción de montaje más rápida, resolvedores por defecto mejorados y estabilidad numérica para SOC alto y bajo.
Nueva interfaz de batería de partículas simples
La nueva interfaz de Batería de partículas simples ofrece una aproximación simplificada para modelar varios tipos de baterías, incluyendo baterías de ion de litio y de níquel-metal hidruro. Las ecuaciones gobernantes, que describen la batería, son típicamente válidas para niveles de corriente baja y media y puede definirse bien globalmente (resultando en una carga computacional pequeña) o localmente en la geometría. La opción local puede utilizarse para estudiar los efectos de una distribución de temperatura desigual en paquetes grandes de baterías.
Comparación de curvas de descarga para una batería de ion de litio, utilizando el modelo de partículas simples (sin marcas), y un modelo que tienen en cuenta las variaciones a lo largo del grosor del electrodo (con marcadores). La partícula sencilla está en excelente concordancia con cargas bajas o moderadas (0.1 C), pero se hace menos preciso con cargas más altas (2 C).
La aproximación de partículas simples es computacionalmente eficiente y precisa con cargas moderadas. Esto permite el modelado de montajes 3D complejos en paquetes de baterías con un coste computacional relativamente bajo, con los comportamientos de carga y recarga proporcionados por el sencillo modelo de partícula simple en cada punto en la descripción tridimensional del paquete de baterías.
Nueva interfaz Multifísica de flujo reactivo
Para mejorar el estudio del flujo de fluido y reacciones en gases y líquidos, la nueva interfaz multifísica de Flujo reactivo combina la interfaz de Flujo monofásico y Transporte de especies concentradas. Previamente disponible como una interfaz independiente, la nueva interfaz multifísica de Flujo reactivo proporciona un control mejor de los ajustes en cada interfaz física así como el acoplamiento multifísico entre ellas.
Usando el nuevo acoplamiento de Flujo reactivo, el proceso de resolver cualquiera de las interfaces acopladas por separado, o al mismo tiempo, se ha mejorado significativamente. En flujo reactivo, esto es importante para generar condiciones iniciales adecuadas o para verificar cómo los resultados se están viendo afectados por acoplamiento. La interfaz multifísica de Flujo reactivo soporta tanto flujos reactivos turbulentos como laminares, así como flujo y reacciones en medios porosos.
Nueva funcionalidad en Transporte de especies concentradas: Propiedades de transporte en medios porosos
La nueva funcionalidad de Transporte de medios porosos permite el estudio de transporte de multicomponentes en una solución que fluye a través de un medio poroso. La nueva funcionalidad incluye modelos para calcular propiedades del transporte efectivo que son dependiente de la porosidad del material en combinación con transporte en mezclas concentradas.
La distribución de porosidad en un reactor para la descomposición térmica del metano en una catalizador sólido Ni-Al203 es estudiada utilizando la funcionalidad de Propiedades de transporte en medios porosos. La porosidad decrece ca medida que se forma hollín en la reacción de descomposición.
Nueva interfaz de ecuaciones de Nernst-Planck-Poisson
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La nueva interfaz de Ecuaciones de Nernst-Planck-Poisson puede utilizarse para investigar las distribuciones de cargas y iones dentro de una doble capa electroquímica, donde la neutralidad de carga no puede ser considerada. La interfaz de Ecuaciones de Nernst-Planck-Poisson añade las interfaces de Electrostática y Transporte de especies diluidas a un modelo, junto con acoplamientos predefinidos para la densidad de carga espacial y el potencial. |
 La concentración de un catión (azul) y un anión (verde) cerca de la superficie del electrodo en x = 0. La suma de las cargas se desvía de 0 cerca de la superficie, formando una doble capa difusa cargada. |
Nueva condición de contorno Corto externo
La nueva condición de contorno de Corto externo permite cortocircuitar Superficies de electrodo, Electrodos porosos y Electrodos a través de una resistencia concentrada externa. La nueva condición de contorno es adecuada para estudiar cortocircuitos de baterías, por ejemplo, o para interconectar grandes objetos activos electroquímicamente en problemas de protección de la corrosión.
Nuevo nodo multifísico de fuente de calor electroquímico
La nueva interfaz multifísica de Fuente de calor electroquímica ofrece una manera opcional de acoplar las fuentes de calor electroquímicas con una interfaz de transferencia de calor.
Nuevo tipo de cinética de equilibrio termodinámico
Las reacciones de electrodo ahora soportan un nuevo tipo de cinético de electrodo de Equilibrio termodinámico (conocido como Condición primaria en la interfaz de Distribución de corriente secundaria), que considera un sobrepotencial cero (pérdidas de tensión despreciables).
Nuevo soporte para Resistencia de película y Especies disueltas-depositada en electrodos porosos y de arista
Los nodos de Electrodo poroso y Electrodo de arista ahora soportan la suma de Resistencias de película y Especies disueltas-depositadas. Previamente ésto solo estaba soportado en la funcionalidad de Superficie de electrodo. Las resistencias de película y las especies disueltas-depositadas en electrodos porosos pueden, por ejemplo, utilizarse para modelar la formación de interfase electrolito-sólido (SEI) en baterías de ion de litio.
Nueva opción de montaje rápido en las interfaces de batería de ion de litio y batería con electrolito binario
Permitiendo el montaje rápido en la dimensión de partícula en el nodo de Electrodo poroso, el tiempo computacional para algunos modelos de baterías utilizando intercalación de partículas se reduce significativamente. El efecto es más pronunciado en modelos 1D, cuando el número de elementos de malla en los elementos de la batería son comparables al número de elementos en la dimensión de partícula. Sin embargo, cuando se utiliza esta opción, no es posible postprocesar datos de la solución a lo largo del eje de dimensión de partícula, y el uso de propiedades de materiales variables, como el coeficiente de difusión sólida en la dimensión de partícula, no está soportado.
Valores por defecto mejorados en las interfaces de Batería de ion de litio y Batería con electrolito binario
En las dimensiones espaciales 2D y 3D, ahora las concentraciones de interacalación se ponen en grupos separados en un resolvedor segregado. Este cambio reduce los requisitos de memoria para problemas grandes así como el tiempo de cálculo para las simulaciones.
Estabilidad numérica mejorada para SOC alto y bajo en las interfaces de Batería de ion de litio y Batería con electrolito binario
La estabilidad numérica cuando se utiliza la cinética de inserción de Litio en el nodo de Reacción de elctrodo poroso ha sido mejorada para valores de SOC cercanos al 0% y al 100%. La formulación cinética mejorada se utiliza por defecto para los nuevos modelos. Para utilizar la nueva expresión cinética en un modelo antiguo, habilítelo en la sección de ajustes de la Advanced Insertion Kinetics Expression (únicamente mostrada cuando están habilitadas las Opciones físicas avanzadas).
Nuevo modelo tutorial: Cortocircuito interno de una batería de ion de litio
Durante un cortocircuito interno de una batería, los dos materiales de los electrodos están interconectados interna y electrónicamente, dando lugar a altas densidades de corriente local. Los cortocircuitos internos pueden ocurrir en una batería de ion de litio debido, por ejemplo, a la formación de dendritas de litio o un shock compresivo. Un cortocircuito interno prolongado resulta en autodescargas en combinación con un incremento local de temperatura. El último efecto es importante porque el electrolito puede empezar a descomponerse por reacciones exotérmicas se la temperatura alcanza un cierto umbral, causando un escape térmico con riesgos potenciales para la seguridad y salud.
Este modelo tutorial investiga el incremento de temperatura local debido a la ocurrencia de un filamento metálico que penetra en el separador entre los dos materiales de los electrodos porosos. Las físicas se configuran utilizando la interfaz de Batería de ion de litio acoplada a la de Transferencia de calor. La química de la batería consiste en un electrodo negativo de grafito y un electrodo postivo NMC con un electrolito LiPF6.
Sección transversal de la distribución de la temperatura en una batería de ion de litio alrededor de un pequeño filamento penetrante y la temperatura en la superficie del filamento.
Modelo tutorial actualizado: Atenuación de capacidad
Las reacciones laterales y procesos de degradación pueden llevar a una serie de efectos indeseables, que causen pérdida de capacidad en las baterías de ion de litio. Típicamente, el envejecimiento ocurre debido a múltiples fenómenos complejos y reacciones que ocurren simultáneamente en diferentes lugares de la batería, y el índice de degradación varía entre ciertos estados durante un ciclo de carga, dependiendo del potencial, la concentración local, la temperatura y la dirección de la corriente. Los diferentes materiales de la célula envejecen de forma diferente, y la combinación de diferentes materiales puede resultar en un mayor envejecimiento acelerado debido a, por ejemplo, materiales del electrodo de "diafonía".
Este tutorial muestra cómo modelar el envejecimiento en el electrodo de grafito negativo en una batería de litio, donde una reacción de formación sólido-electrolito-interfaz (SEI) parasitaria resulta en una pérdida irreversible de litio. El modelo también incluye el efecto de incrementar las pérdidas de potencial debidas a la resistencia de la creciente película SEI en las partículas del electrodo, así como el efecto de una fracción de volumen de electrolito reducida en el transporte de carga del electrolito.
Este modelo tutorial ha sido actualizado del de la versión anterior de COMSOL Multiphysics® para incluir datos de envejecimiento más recientes provenientes de la literatura científica. Adicionalmente, se ha introducido un factor de escala temporal para reducir el tiempo de simulación para ciclos múltiples.
Tensión de célula durante una descarga de 1 C para un número diferente de ciclos de envejecimiento.
5.2
Nueva app: Espectroscopía de impedancia electroquímica
La espectroscopía de impedancia electroquímica (Electrochemical impedance spectroscopy o EIS) es una técnica habitual en electroanálisis. Se utiliza para estudiar la respuesta armónica de un sistema electroquímico. Se aplica una variación sinusoidal pequeña al potencial del electrodo de trabajo y se analiza la corriente resultante en el dominio de la frecuencia.
Las componentes real e imaginaria de la impedancia dan información sobre las propiedades cinética y de transporte de masa de la célula, así como las propiedades de superficie a través de la capacidad de doble capa.
El objetivo de la app de análisis Electrochemical Impedance Spectroscopy es comprender los gráficos de Nyquist y Bode de la EIS. La app permite variar la concentración de volumen, el coeficiente de difusión, la densidad de carga de intercambio, la capacidad de doble capa y las frecuencias mínima y máxima.
Interfaz gráfica de usuario de la app de demostración de Electrochemical Impedance Spectroscopy mostrando el gráfico de Nyquist.
Nueva app: Voltametría cíclica
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La voltametría cíclica es una técnica analítica habitual para investigar sistemas electroquímicos. En este método la diferencia de potencial entre un electrodo de trabajo y un electrodo de referencia es barrida linealmente en el tiempo desde un potencial inicial a un potencial vértice, y luego hacia atrás. La forma de onda corriente-tensión, llamada voltamograma, proporciona información sobre las propiedades de reactividad y transporte de masa de un electrolito. El objetivo de esta app es demostrar y simular el uso de la voltametría cíclica. Se puede variar la concentración de volumen de ambas especies, las propiedades de transporte, los parámetros cinéticos y los ajustes del voltámetro cíclico. |
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Nuevo tutorial: Doble capa difusa
En la interfaz electrodo-electrolito, existe una fina capa de carga espacial, llamada la doble capa difusa. En esta región, no se sostiene la electroneutralidad. La doble capa puede ser de interés cuando se modelan dispositivos como supercapacitores electroquímicos y nanoelectrodos.
El tutorial Diffuse Double Layer muestra como acoplar las ecuaciones Nernst-Planck a la ecuación de Poisson para describir una doble capa difusa de acuerdo con el modelo Gouy-Chapman-Stern.
La app de simulación amplía el sencillo ejemplo incluyendo dos electrodos. También considera reacciones faradaicas del electrodo (transferencia de carga). Se resuelve una ecuación adicional para asegurar la conversación global de la carga.
5.1
NOVEDADES
Uso mejorado de las reacciones químicas en medios porosos
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El término de fuente de Reacciones en las interfaces de transporte de especies diluidas en medios porosos ahora proporciona las siguientes opciones para tener en cuenta la base de volumen de reacción para medios porosos saturados e insaturados:
El uso de datos de la literatura para las expresiones cinéticas es bastante más simple y menos susceptible a errores, ya que se pueden tabular para diferentes bases de volumen. |
 Ahora se puede seleccionar la relación de reacción apropiada como base para la expresión de la tasa de reacción. En este caso, se ha seleccionado la reacción por volumen total de poros. |
Hinchazón higroscópica
La hinchazón higroscópica es un efecto de deformación interna del material causada por cambios en el contenido de humedad. El nuevo acoplamiento multifísico Hygroscopic Swelling se utiliza para acoplar la concentración de humedad entre las interfaces de transporte de especies diluidas o transporte de especies diluidas en medios porosos y la interfaz de mecánica de sólidos.
Modelo de gas polvoriento
La difusión de Knudsen se incluye como un mecanismo de transporte adicional en la interfaz de transporte de especies concentradas para permitir los modelos de gas polvoriento. Este mecanismo está disponible en los modelos de la ley de Fick y de difusión de mezcla promediada. El modelo de gas polvoriento se prefiere a veces para predecir con precisión el transporte de masa acompañado por las reacciones químicas en medios porosos, por ejemplo en membranas catalíticas y aplicaciones de células de combustible.
En gases, este mecanismo es importante para la tasa de transporte si el camino libre medio de las moléculas transportadas es del mismo orden de magnitud o mayor que la escala de longitud del sistema. Por ejemplo, en un poro grande con un diámetro pequeño (2 a 50 nm), las moléculas frecuentemente chocan con la pared del poro y la difusión necesita ajustarse adecuadamente.
Variables de concentración basada en la masa
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La interfaz de transporte de especies concentradas ahora proporciona variables de concentración basada en la masa (kg/m3) además de fracciones de masa. Estas se pueden utilizar en postprocesado, informes y visualización, añadiendo la flexibilidad para presentar datos en diferentes unidades dependiendo de las preferencias de la persona que interprete los resultados. |
 La lista de expresiones en los grupos del gráfico presenta la concentración de masa además de las concentraciones molares y fracciones de masa. |
Convergencia y estabilidad mejoradas a través del paso de inicialización de la distribución de corriente y nuevos estudios en las interfaces electroquímicas
Muchos modelos electroquímicos requieren valores iniciales derivados apropiados para alcanzar la convergencia o incluso conseguir un resolvedor independiente del tiempo para funcionar. Los nuevos estudios estacionario con inicialización y dependiente del tiempo con inicialización ahora están disponibles para todas las interfaces electroquímicas, con el uso de un paso de estudio de inicialización de la distribucion de corriente. Estos nuevos estudios facilitan la resolución de modelos electroquímicos con cinética no lineal.
Área de sección cruzada
| Ahora se dispone de una nueva propiedad, área de sección cruzada, disponible en los modelos 1D para la interfaz electroquímica. Con esta funcionalidad, el área de la celda puede ser especificada y la corriente total de la celda calculada. Además, las funcionalidades del contorno corriente del electrolito y corriente del electrodo ahora están disponibles en 1D. |  Propiedad de área de sección cruzada, ahora disponible en la interfaz electroquímica en 1D. |
Fuentes de corriente lineal y puntual para modelado eficiente del electrodo
| Para problemas grandes con geometrías complejas, a menudo no es posible resolver geométricamente todas las partes de la geometría. Si se utiliza un electrodo pequeño para proporcionar una fuente de corriente, éste puede ser suficiente para "inyectar" la fuente de corriente en un punto de la geometría, en lugar de crear el contorno del electrodo y proporcionar la corriente del electrodo como una condición de contorno apropiada. Con las funcionalidades de fuentes de corriente lineal y puntual en las interfaces de distribución de corriente primaria y secundaria, es posible aplicar una fuente de corriente a un punto en geometrías 2D, 2D con simetría axial y 3D. |  La figura ilustra una fuente de corriente puntual y lineal aplicada en una geometría 3D simple. |
Distribución de carga de celda inicial
Proporcionar valores iniciales apropiados para las simulaciones de baterías puede ser dificultoso, ya que el modelador tiene que "invertir" propiedades de celdas globales que a menudo son utilizadas por los ingenieros de baterías. Ahora se han introducido nuevas entradas en las interfaces basadas en baterías, como un estado de la carga global o una tensión inicial de circuito abierto de la batería.
Con el uso de un nuevo nodo de Distribución de carga de celda inicial en las interfaces de batería ion de litio y batería con electrolito binario, ahora es posible configurar la tensión inicial de la celda o el estado de carga de la celda (SOC), en vez de las concentraciones de litio sólido individuales en los electrodos porosos. Esta funcionalidad también hace posible balancear la cantidad de materiales activos disponibles para la intercalación en los electrodos calculando las porosidades de fase del electrodo automáticamente.
Nuevo tutorial: batería de óxido de plata-zinc
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Las baterías de óxido de plata-zinc (Zn-AgO) se utilizan en distintas industrias gracias a su alta capacidad por unidad de peso. También tienen características de rendimiento superior, como una vida operativa más larga y bajas autodescargas (larga duración). Las baterías Zn-AgO de mayor tamaño se utilizan en aplicaciones críticas, como en submarinos, misiles y aplicaciones aeroespaciales. Las celdas de botón más pequeñas están bien indicadas para fuentes de potencia en miniatura para ayudas a la audición, relojes electrónicos y otros dispositivos de baja potencia. Esta nueva aplicación simula la descarga de una batería de óxido de plata-zinc. Las reacciones electroquímicas en los electrodos positivo y negativo llevan a cambios en la porosidad y la concentración de especies en los electrodos. |
 Las características de descarga de una batería Zn-AgO dependen de la concentración inicial de zinc, algo que puede investigarse utilizando este modelo. |
Nuevo tutorial: batería de litio-aire
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Las baterías de metal-aire recargables últimamente están captando gran interés, principalmente debido a sus alta densidad de energía específica. Las baterías de litio-aire tienen un valor de densidad de energía teórica de aproximadamente 11400 Wh/k, por tanto es cerca de 10 veces mayor que, por ejemplo, las baterías de ion de litio utilizadas en los teléfonos móviles y coches eléctricos actuales. Esta nueva aplicación estudia la descarga de una batería de litio-aire incluyendo el transporte de oxígeno en el electrodo poroso positivo donde la reducción electroquímica del oxígeno lleva a cambios en la concentración del producto de reacción y la porosidad del electrodo. |
 Características de descarga de una batería de litio-aire para diferentes densidades de corriente de descarga. |
Dominios de elemnto infinito en interfaces de la ley de Darcy
Las interfaces de la ley de Darcy ahora soportan dominios de elemento infinito y cálculos más avanzados de flujos de contorno.
5.0
Implementación de electrodos porosos mejorada
La nueva funcionalidad de núcleo para dimensiones extra ahora es utilizada para la implementación de electrodos porosos. Esto afecta a la interfaz de la Batería de ion de litio y a la de la Batería con electrolito binario, así como a los nodos para Electrodo poroso y Material intercalado adicional. Ahora es posible utilizar coeficientes de difusión sólida dependientes de la concentración y radialmente. Se puede configurar el parámetro Ds en la GUI como Ds(xspce1, liion.cspce1), donde Ds(arg1, arg2) es una función añadida por el usuario (bajo Definiciones) con la localización de la partícula y la concentración local como argumentos.
Actualización del modelo de batería de ion de litio y Librería de Materiales
Los Materiales han sido actualizados para todos los tipos de baterías con propiedades no isotérmicas insertadas. Se han añadido nuevos materiales de electrodo de baterías de ion-litio positivo y negativo. Ahora se dispone de electrolíticos tanto de polímero como líquidos.
Impedancia de la batería de ion de litio Este nuevo modelo utiliza la interfaz de Batería de ion de litio y la interfaz de optimización (Optimization Module) para simular y analizar el espectro de la impedencia de las baterías de ion de litio.
COMSOL Multiphysics 6.3