Hochgenaue transiente mehrdimensionale Simulation eines thermo-elektro-chemo-mechanischen Modells für Lithium-Ionen-Batterien

Основные понятия

Ein hochgenaues transientes mehrdimensionales Mehrphysik-Modell auf Basis von Kontinuumstheorien wird entwickelt, um die gekoppelten mechanischen, thermischen und elektrochemischen Phänomene während der Entladung oder Aufladung von Lithium-Ionen-Batterien zu simulieren.

Аннотация

Das Papier entwickelt ein transientes mehrdimensionales Mehrphysik-Modell auf Basis von Kontinuumstheorien, das die gekoppelten mechanischen, thermischen und elektrochemischen Phänomene während der Entladung oder Aufladung von Lithium-Ionen-Batterien berücksichtigt.
Das Modell besteht aus einem System gekoppelter nichtlinearer partieller Differentialgleichungen. Neben Anfangs- und Randbedingungen wird die Behandlung der Elektroden-Elektrolyt-Grenzfläche hervorgehoben, die einer Butler-Volmer-Reaktionskinetik-Gleichung entspricht.
Die Herleitung der starken und schwachen Formen des Modells sowie das Diskretisierungsverfahren in Raum und Zeit werden präsentiert. Das diskretisierte Modell wird in zwei Dimensionen mit einer Finite-Elemente-Methode gelöst, die geschichtete hp-Netze und ein gestaffeltes semi-implizites Zeitintegrationsverfahren zweiter Ordnung verwendet. Die erwartete Fehlerabschätzung ist höher als bei ähnlichen Arbeiten, sowohl im Raum als auch in der Zeit.
Eine repräsentative Batteriezellgeometrie unter verschiedenen Betriebsszenarien wird simuliert. Die numerischen Ergebnisse zeigen, dass das Vollmodell zusätzliche wichtige Erkenntnisse liefert, die bei der Berücksichtigung nur der elektrochemischen Kopplung nicht gewonnen werden können. Die Berücksichtigung der Mehrphysik wird wichtiger, je höher der angelegte Strom ist, sowohl bei Entladung als auch bei Aufladung. Das Vollmodell bietet Batterie-Design-Experten ein wertvolles Werkzeug zur Optimierung von Designs und zur Weiterentwicklung der Energiespeicherindustrie.

Статистика

Die Stromdichte IBV an der Elektroden-Elektrolyt-Grenzfläche wird durch die Butler-Volmer-Gleichung berechnet.
Der Austauschstromdichteterm Ic hängt vom Lithium-Konzentrationsverhältnis in den Elektroden ab.
Die Wärmefreisetzung an der Grenzfläche ist proportional zum Produkt aus Überspannung η und Stromdichte IBV.

Цитаты

"Rechargeable batteries have become ubiquitous in the past decades, and their research, development and market size will keep growing in the future [19, 20, 33]."
"The need of storing energy from alternate sources and/or for powering electric vehicles and many consumer goods pushes the research in battery technology and, consequently, the demand for modeling and simulation tools that deliver additional insight and even predict the functioning of new battery systems, structures, materials and applications [19, 26]."
"Battery charge/discharge is consequently a strongly coupled multiphysical system."

Ключевые выводы из

High-order transient multidimensional simulation of a thermo-electro-chemo-mechanical model for Lithium-ion batteries

by Jaime Mora-P... в arxiv.org 03-26-2024

https://arxiv.org/pdf/2403.16928.pdf

Дополнительные вопросы

Wie könnte man das Modell erweitern, um auch Flüssigkeitsströmungen im Elektrolyten zu berücksichtigen?

Um Flüssigkeitsströmungen im Elektrolyten in das Modell zu integrieren, könnte man eine Kopplung mit einem Strömungsmodell durchführen. Dies würde die Einführung von Gleichungen für die Navier-Stokes-Gleichungen für die Flüssigkeitsströmung im Elektrolyten erfordern. Diese Gleichungen könnten dann mit den bestehenden Gleichungen für die Elektroden und den Elektrolyten gekoppelt werden, um die Interaktion zwischen den verschiedenen physikalischen Prozessen zu berücksichtigen. Darüber hinaus müssten geeignete Randbedingungen für die Strömungsgleichungen festgelegt werden, um den Einfluss der Strömungen an den Grenzflächen zu berücksichtigen.

Welche Auswirkungen hätte eine Berücksichtigung von Alterungseffekten in den Elektroden auf die Modellergebnisse?

Die Berücksichtigung von Alterungseffekten in den Elektroden würde die Modellergebnisse beeinflussen, da Alterungseffekte die Leistung und Lebensdauer der Batterie beeinträchtigen können. Alterungseffekte können zu einer Verringerung der Kapazität, einer Erhöhung des Innenwiderstands und einer veränderten Reaktionskinetik führen. Durch die Integration von Alterungseffekten in das Modell könnte man die Degradation der Elektroden im Laufe der Zeit simulieren und somit präzisere Vorhersagen über das Batterieverhalten machen. Dies könnte dazu beitragen, die Auswirkungen der Alterung auf die Leistungsfähigkeit der Batterie zu verstehen und Strategien zur Verlängerung der Lebensdauer zu entwickeln.

Inwiefern könnten die Erkenntnisse aus dieser Mehrphysik-Simulation dazu beitragen, die Leistungsfähigkeit und Lebensdauer von Lithium-Ionen-Batterien weiter zu verbessern?

Die Erkenntnisse aus dieser Mehrphysik-Simulation könnten dazu beitragen, die Leistungsfähigkeit und Lebensdauer von Lithium-Ionen-Batterien weiter zu verbessern, indem sie ein tieferes Verständnis der komplexen physikalischen Prozesse innerhalb der Batterie liefern. Durch die Simulation verschiedener Betriebsbedingungen und Batteriedesigns können Optimierungen vorgenommen werden, um die Effizienz und Zuverlässigkeit zu steigern. Darüber hinaus könnten die Erkenntnisse zur Identifizierung von Schwachstellen in den Batteriematerialien und -strukturen genutzt werden, um gezielt Verbesserungen vorzunehmen. Die Simulation könnte auch dazu beitragen, neue Materialien und Designs zu testen, um die Leistungsfähigkeit und Lebensdauer von Lithium-Ionen-Batterien kontinuierlich zu verbessern.