 |
باتری لیتیوم یونی با الکترولیت جامد رسانای تک یونی
معرفی
در باتری‌های لیتیوم یونی حالت جامد، الکترولیت یک رسانای یونی حالت جامد است. عدم وجود الکترولیت مایع – و در نتیجه عدم نیاز به ظرف مایع و جداکننده – به معنای آزادی طراحی بیشتر است. علاوه بر این، الکترولیت های جامد دارای مزایای خاصی مانند عدم نشت الکترولیت و بهبود پایداری حرارتی هستند. خطر تشکیل دندریت های فلزی لیتیوم که باعث اتصال کوتاه سلول باتری می شود، هنگام استفاده از الکترولیت جامد نیز کاهش می یابد.
الکترولیت های رسانای تک یونی معمولاً با تثبیت یون ضد در یک ذره معدنی یا یک ستون فقرات پلیمری سنتز می شوند. این هادی های تک یونی دارای عدد انتقال نزدیک به 1 و با گرادیان غلظت ناچیز نسبت به یون های حامل بار هستند.
این آموزش یک باتری لیتیوم یون را با الکترولیت جامد رسانای تک یونی مدل می کند. هندسه یک بعدی و مدل همدما است. رفتار در جریان های تخلیه مختلف و رسانایی الکترولیت جامد تجزیه و تحلیل می شود. علاوه بر این، یک باتری لیتیوم یون با یک الکترولیت مایع دوتایی شبیه سازی شده و عملکرد آن با باتری حالت جامد مقایسه می شود.
تعریف مدل
این مدل برای باتری گرافیتی/LCO با الکترولیت جامد تنظیم شده است. مواد الکترود از کتابخانه مواد باتری در دسترس هستند و عمدتا تنظیمات پیش فرض انتخاب شده اند. رسانایی الکترولیت جامد با استفاده از یک پارامتر تعریف شده توسط کاربر تنظیم می شود.
این مدل با استفاده از باتری لیتیوم یونی، رابط هادی تک یونی تنظیم شده است. این یک رابط باتری لیتیوم یون با مدل تعادل شارژ تنظیم شده روی رسانای تک یونی اضافه می کند که معمولاً برای الکترولیت های جامد قابل استفاده است. در یک الکترولیت رسانای تک یونی فرض می شود که فقط یک یون اجازه حرکت دارد، در حالی که یون ضد ثابت است. فرض الکتروخنثی بودن و غلظت ثابت یونهای تثبیت شده منجر به غلظت ثابت برای یونهای لیتیوم متحرک در الکترولیت می شود. بنابراین، مدل تعادل بار رسانای تک یونی، پتانسیل الکترولیت را با این فرض که تمام بار در فاز الکترولیت تنها توسط یون های لیتیوم مثبت حمل می شود، حل می کند، به طوری که غلظت یون های لیتیوم در الکترولیت را می توان ثابت فرض کرد. .
رابط، با مدل تعادل شارژ هادی تک یونی، موارد زیر را شامل می شود:
• | انتقال بار در الکترود و الکترولیت با استفاده از قانون اهم، |
• | انتقال مواد درون ذرات کروی که الکترودها را با استفاده از قانون فیک تشکیل می دهند و |
• | سینتیک الکترود باتلر-ولمر با استفاده از منحنی‌های تخلیه تجربی اندازه‌گیری شده برای پتانسیل تعادل. |
این آموزش همانطور که در قسمت دستورالعمل های مدل سازی در زیر تعریف شده است از دو قسمت تشکیل شده است. بخش اول تخلیه یک باتری لیتیوم یونی با الکترولیت جامد را با استفاده از مدل تعادل شارژ رسانای تک یونی، برای طیف وسیعی از جریان‌های تخلیه و رسانایی الکترولیت شبیه‌سازی می‌کند. در بخش دوم مدل، یک باتری لیتیوم یون با یک الکترولیت مایع دوتایی شبیه‌سازی شده و عملکرد آن با باتری حالت جامد برای جریان‌های تخلیه مختلف مقایسه می‌شود. توجه داشته باشید که فایل مدل موجود در Application Libraries فقط شامل قسمت اول است.
بخش دوم این آموزش شامل یک الکترولیت مایع دوتایی، 1M LiPF 6 در 3:7 EC:EMC (موجود در کتابخانه مواد باتری) است. در این مورد، مدل تعادل بار الکترولیت مایع باینری 1:1 همراه با هدایت الکترولیت وابسته به غلظت استفاده می شود. توجه داشته باشید که مدل تعادل بار الکترولیت مایع باینری 1:1 علاوه بر این، حمل و نقل مواد در الکترولیت را به حساب می‌آورد (یعنی غلظت الکترولیت به عنوان یک متغیر وابسته حل می‌شود)، که امکان معرفی اثرات غلظت بر رسانایی یونی و پتانسیل بیش از حد غلظت را فراهم می‌کند. .
تنظیمات مطالعه
در این مدل از مطالعه وابسته به زمان با مقداردهی اولیه استفاده شده است. این برای مرحله مطالعه اولیه توزیع فعلی و به دنبال مرحله مطالعه وابسته به زمان حل می شود. یک شرط توقف در مرحله مطالعه وابسته به زمان برای متوقف کردن حل کننده زمانی که ولتاژ سلول به 2.7 ولت می رسد استفاده می شود. ویژگی Initial Cell Charge Distribution، که ظرفیت الکترود منفی را با ظرفیت مثبت متعادل می کند، برای تنظیم اولیه استفاده می شود. وضعیت شارژ سلولی و ظرفیت باتری
مطالعه مربوط به بخش اول آموزش (باتری الکترولیت جامد) یک جابجایی کمکی روی دشارژ C-نرخ (1C، 2C و 4C) و رسانایی الکترولیت جامد (0.02 S/m، 0.05 S/m، 0.5 S) تنظیم می‌کند. /m و 1 S/m). مطالعه مربوط به بخش دوم آموزش (باتری الکترولیت مایع باینری) فقط یک جاروب کمکی بر دشارژ C-rates را تنظیم می کند.
نتایج و بحث
شکل 1 و شکل 2 پروفیل های ولتاژ سلول را به ترتیب در هدایت الکترولیت 0.02 S/m و 1 S/m نشان می دهند. عملکرد باتری در مقادیر بالاتر هدایت الکترولیت بهتر است. این همان طور است که انتظار می رود، زیرا با کاهش رسانایی الکترولیت جامد، تلفات داخلی باتری افزایش می یابد.
شکل 1: پروفیل های ولتاژ سلول در هدایت الکترولیت 0.02 S/m.
شکل 2: پروفیل های ولتاژ سلول در رسانایی الکترولیت 1 S/m.
شکل 3 و شکل 4 پروفیل های ولتاژ تخلیه 1C را برای مقادیر مختلف هدایت الکترولیت در محدوده 0.02 S/m تا 1 S/m نشان می دهند. پروفایل های تخلیه 4C ( شکل 4 ) به وضوح کاهش عملکرد باتری را برای مقادیر کمتر هدایت الکترولیت نشان می دهد.
شکل 3: پروفیل های ولتاژ سلول در 1C برای مقادیر مختلف هدایت الکترولیت.
شکل 4: پروفیل های ولتاژ سلول در 4 درجه سانتیگراد برای مقادیر مختلف هدایت الکترولیت.
شکل 5 و شکل 6 افت پتانسیل الکترولیت در سراسر سلول را با نرخ تخلیه 1 درجه سانتیگراد، برای دو مقدار مختلف هدایت الکترولیت نشان می دهد. همانطور که در شکل 5 مشاهده می شود، افت ولتاژ در الکترولیت برای مقادیر کمتر هدایت الکترولیت بیشتر است.
شکل 5: افت پتانسیل الکترولیت در 1C و هدایت الکترولیت 0.02 S/m.
شکل 6: افت پتانسیل الکترولیت در 1C و هدایت الکترولیت 1 S/m.
شکل 7 مقایسه ای از پروفیل های ولتاژ سلولی برای یک باتری با الکترولیت جامد با آن حاوی یک الکترولیت مایع دوتایی را نشان می دهد. رسانایی الکترولیت در مورد باتری الکترولیت جامد (مدل سازی شده با استفاده از مدل تعادل شارژ رسانای تک یونی) 1 S/m در نظر گرفته می شود. از سوی دیگر، هدایت الکترولیت وابسته به غلظت برای الکترولیت مایع در نظر گرفته می شود (1M LiPF 6در 3:7 EC:EMC) مورد استفاده در باتری الکترولیت مایع باینری (مدل‌سازی شده با استفاده از مدل تعادل شارژ الکترولیت مایع باینری 1:1). از آنجایی که رسانایی الکترولیت مایع دوتایی در غلظت اولیه الکترولیت 1M تقریبا 1 S/m است، ولتاژ اولیه در هر نرخ تخلیه برای هر دو مورد الکترولیت جامد و مایع یکسان خواهد بود. پروفایل های سلول در زمان های تخلیه بعدی شروع به تغییر می کنند، زیرا رسانایی محلی باتری الکترولیت مایع دوتایی به دلیل گرادیان غلظت شروع به تغییر می کند. علاوه بر این، شیب غلظت در دبی های بالاتر بیشتر خواهد بود، که نشان دهنده تفاوت بیشتر در دبی های بالاتر است، همانطور که در شکل 7 مشاهده می شود .
نمودار مقایسه همچنین نشان می‌دهد که برای باتری با الکترولیت مایع دوتایی، می‌توان از مدل تعادل شارژ رسانای تک یونی برای شبیه‌سازی سناریوهای دشارژ/شارژ کم استفاده کرد که در آن گرادیان غلظت قابل‌توجهی انتظار نمی‌رود. در چنین مواردی از سناریوهای دشارژ/شارژ کم، مدل تعادل بار هادی تک یونی بارهای محاسباتی کاهش می‌یابد، زیرا غلظت الکترولیت به عنوان درجه آزادی حل نمی‌شود، بدون از دست دادن قابل‌توجه در دقت (به‌ویژه در مورد مفید است. مدل های بزرگ).
شکل 7: مقایسه پروفیل های ولتاژ سلول برای مدل های تعادل شارژ الکترولیت مایع دوتایی رسانای تک یونی (در هدایت الکترولیت 1 S/m).
منابع
1. N. Wolff، F. Roder و U. Krewer، “ارزیابی مبتنی بر مدل عملکرد باتری‌های لیتیوم یونی با استفاده از الکترولیت‌های رسانای تک یونی،” Electrochimica Acta ، جلد. 284، صفحات 639-646، 2018.
2. SD Fabre، D. Guy-Bouyssou، P. Bouillon، F. Le Cras، و C. Delacourt، “شبیه سازی شارژ/دشارژ باتری لایه نازک تمام جامد با استفاده از یک مدل تک بعدی،” J. انجمن الکتروشیمیایی ، جلد. 159، صفحات A104–A115، 2012.
مسیر کتابخانه برنامه: Battery_Design_Module/Batteries,_Lithium-ion/li_battery_solid_electrolyte
دستورالعمل های مدل سازی
این آموزش از دو بخش تشکیل شده است. بخش اول تخلیه یک باتری لیتیوم یونی با یک الکترولیت جامد را با استفاده از مدل تعادل شارژ هادی تک یونی برای طیف وسیعی از جریان‌های تخلیه و رسانایی الکترولیت شبیه‌سازی می‌کند. بخش دوم عملکرد یک باتری لیتیوم یون حاوی یک الکترولیت جامد را با یک الکترولیت مایع دوتایی برای جریان های تخلیه متفاوت مقایسه می کند. توجه داشته باشید که آموزش موجود در Application Libraries فقط شامل قسمت اول است.
از منوی File ، New را انتخاب کنید .
جدید
در پنجره جدید ، روی 
Model Wizard کلیک کنید .
Model Wizard کلیک کنید .مدل جادوگر
1 | در پنجره Model Wizard ، روی  1D کلیک کنید . |
2 | در درخت Select Physics ، Electrochemistry>Batteries>Lithium-Ion Battery، Single-Ion Conductor (liion) را انتخاب کنید . |
3 | روی افزودن کلیک کنید . |
4 |  روی مطالعه کلیک کنید . |
5 | در درخت Select Study ، Preset Studies for Selected Physics Interfaces>Time Dependent with Initialization را انتخاب کنید . |
( مطالعه Time Dependent with Initialization یک شبیه سازی وابسته به زمان را با استفاده از مرحله مطالعه اولیه برای محاسبه پتانسیل های اولیه در سلول انجام می دهد.)
6 |  روی Done کلیک کنید . |
تعاریف جهانی
پارامترهای 1
پارامترهای این مدل را از یک فایل متنی بارگیری کنید.
1 | در پنجره Model Builder ، در قسمت Global Definitions روی Parameters 1 کلیک کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای پارامترها ، بخش پارامترها را پیدا کنید . |
3 |  روی Load from File کلیک کنید . |
4 | به پوشه Application Libraries مدل بروید و روی فایل li_battery_solid_electrolyte_parameters.txt دوبار کلیک کنید . |
هندسه 1
هندسه شامل سه حوزه است. هندسه را با تعیین طول دامنه ها ایجاد کنید.
فاصله 1 (i1)
1 | در پنجره Model Builder ، در قسمت Component 1 (comp1) روی Geometry 1 کلیک راست کرده و Interval را انتخاب کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای فاصله ، قسمت فاصله را بیابید . |
3 | از لیست Specify ، Interval lengths را انتخاب کنید . |
4 | در جدول تنظیمات زیر را وارد کنید: |
طول (متر) |
L_neg |
ال_الکترولیت |
L_pos |
5 |  روی Build Selected کلیک کنید . |
مواد را اضافه کنید
خواص الکترود منفی و مثبت با استفاده از خواص مواد (مواد مربوطه وارد شده از کتابخانه مواد باتری) مشخص می شود، در حالی که خواص الکترولیت جامد با استفاده از پارامترهای تعریف شده توسط کاربر مشخص می شود. این مدل دارای یک الکترود گرافیت منفی و یک الکترود مثبت LCO است.
1 | در نوار ابزار Home ، روی  Add Material کلیک کنید تا پنجره Add Material باز شود . |
2 | به پنجره Add Material بروید . |
3 | در درخت، باتری > الکترودها > گرافیت، LixC6 MCMB (منفی، باتری لیتیوم یونی ) را انتخاب کنید . |
4 | روی Add to Component در نوار ابزار پنجره کلیک کنید . |
5 | در درخت، Battery>Electrodes>LCO, LiCoO2 (مثبت، باتری Li-ion ) را انتخاب کنید . |
6 | روی Add to Component در نوار ابزار پنجره کلیک کنید . |
7 | در نوار ابزار Home ، روی  Add Material کلیک کنید تا پنجره Add Material بسته شود . |
مواد
گرافیت، LixC6 MCMB (منفی، باتری لیتیوم یونی) (mat1)
1 | در پنجره Model Builder ، در قسمت Component 1 (comp1)>Materials روی Graphite، LixC6 MCMB (منفی، باتری لیتیوم یونی ) (mat1) کلیک کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای مواد ، قسمت انتخاب موجودیت هندسی را پیدا کنید . |
3 |  روی Clear Selection کلیک کنید . |
4 | فقط دامنه 1 را انتخاب کنید. |
LCO، LiCoO2 (مثبت، باتری لیتیوم یونی) (mat2)
1 | در پنجره Model Builder ، روی LCO, LiCoO2 (Positive, Li-ion Battery) (mat2) کلیک کنید . |
2 | فقط دامنه 3 را انتخاب کنید. |
تعاریف
متغیرهای این مدل را از یک فایل متنی بارگیری کنید.
متغیرهای 1
1 | در نوار ابزار صفحه اصلی ، روی  متغیرها کلیک کنید و متغیرهای محلی را انتخاب کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای متغیرها ، بخش متغیرها را پیدا کنید . |
3 |  روی Load from File کلیک کنید . |
4 | به پوشه Application Libraries مدل بروید و روی فایل li_battery_solid_electrolyte_variables.txt دوبار کلیک کنید . |
ادغام 1 (در اول)
متغیرهای یکپارچه سازی مرزی را برای دسترسی به ولتاژ سلول در پایانه های انتهایی در طول محاسبات و پس پردازش تعریف کنید.
1 | در نوار ابزار تعاریف ، روی  Nonlocal Couplings کلیک کرده و Integration را انتخاب کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای ادغام ، PositiveCC را در قسمت متنی نام اپراتور تایپ کنید . |
3 | بخش انتخاب منبع را پیدا کنید . از لیست سطح نهاد هندسی ، Boundary را انتخاب کنید . |
4 | فقط مرز 4 را انتخاب کنید. |
ادغام 2 (PositiveCC2)
1 | روی Integration 1 (PositiveCC) کلیک راست کرده و Duplicate را انتخاب کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای ادغام ، NegativeCC را در قسمت متنی نام اپراتور تایپ کنید . |
3 | بخش انتخاب منبع را پیدا کنید . روی Clear Selection کلیک کنید .  |
4 | فقط مرز 1 را انتخاب کنید. |
باتری لیتیوم یونی (LIION)
فیزیک را در مدل تنظیم کنید. همچنین، از گره توزیع شارژ اولیه سلولی برای متعادل کردن ظرفیت الکترود منفی با ظرفیت مثبت استفاده کنید.
الکترولیت 1
1 | در پنجره Model Builder ، در قسمت Component 1 (comp1)>Lithium-Ion Battery (lion) روی Electrolyte 1 کلیک کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای الکترولیت ، بخش خواص الکترولیت را پیدا کنید . |
3 | از لیست σ l ، User defined را انتخاب کنید . در قسمت متن مرتبط، sigmal را تایپ کنید . |
الکترود متخلخل 1
1 | در نوار ابزار Physics ، روی  Domains کلیک کنید و Porous Electrode را انتخاب کنید . |
2 | فقط دامنه 1 را انتخاب کنید. |
3 | در پنجره تنظیمات برای الکترود متخلخل ، بخش خواص الکترولیت را پیدا کنید . |
4 | از لیست σ l ، User defined را انتخاب کنید . در قسمت متن مرتبط، sigmal را تایپ کنید . |
5 | قسمت Porous Matrix Properties را پیدا کنید . در قسمت متن ε s ، liion.epss_neg را تایپ کنید . |
متغیر liion.epss_neg به طور خودکار توسط گره Initial Cell Charge Distribution محاسبه می شود که بعدا اضافه خواهد شد.
درهم آمیختگی ذرات 1
1 | در پنجره Model Builder ، روی Particle Intercalation 1 کلیک کنید . |
2 | در پنجره Settings for Particle Intercalation ، قسمت Particle Transport Properties را پیدا کنید . |
3 | در قسمت متن r p ، rp را تایپ کنید . |
واکنش الکترود متخلخل 1
1 | در پنجره Model Builder ، روی Porous Electrode Reaction 1 کلیک کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای واکنش الکترود متخلخل ، بخش سینتیک الکترود را پیدا کنید . |
3 | در قسمت متن i 0,ref ( T ) i0ref_neg را تایپ کنید . |
الکترود متخلخل 2
1 | در نوار ابزار Physics ، روی  Domains کلیک کنید و Porous Electrode را انتخاب کنید . |
2 | فقط دامنه 3 را انتخاب کنید. |
3 | در پنجره تنظیمات برای الکترود متخلخل ، بخش خواص الکترولیت را پیدا کنید . |
4 | از لیست σ l ، User defined را انتخاب کنید . در قسمت متن مرتبط، sigmal را تایپ کنید . |
5 | قسمت Porous Matrix Properties را پیدا کنید . در قسمت متن ε s ، epss_pos را تایپ کنید . |
درهم آمیختگی ذرات 1
1 | در پنجره Model Builder ، روی Particle Intercalation 1 کلیک کنید . |
2 | در پنجره Settings for Particle Intercalation ، قسمت Particle Transport Properties را پیدا کنید . |
3 | در قسمت متن r p ، rp را تایپ کنید . |
واکنش الکترود متخلخل 1
1 | در پنجره Model Builder ، روی Porous Electrode Reaction 1 کلیک کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای واکنش الکترود متخلخل ، بخش سینتیک الکترود را پیدا کنید . |
3 | در قسمت متن i 0,ref ( T ) i0ref_pos را تایپ کنید . |
توزیع اولیه شارژ سلولی 1
1 | در نوار ابزار Physics ، روی  Global کلیک کنید و Initial Cell Charge Distribution را انتخاب کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای توزیع اولیه شارژ سلول ، قسمت پارامترهای سلول باتری را پیدا کنید . |
3 | از لیست تنظیمات اولیه سلول باتری ، وضعیت شارژ اولیه سلول را انتخاب کنید . |
4 | در فیلد متنی سلول SOC ، 0 ، 1 را تایپ کنید . |
5 | در فیلد متنی سلول Q ، Qcell را تایپ کنید . |
6 | بخش تعادل الکترود سلول باتری را پیدا کنید . در قسمت f cycl,loss text، عدد 0 را تایپ کنید . |
انتخاب الکترود منفی 1
دامنه های مدلی که به ترتیب نشان دهنده الکترود منفی و مثبت هستند را انتخاب کنید.
1 | در پنجره Model Builder ، گره Initial Cell Charge Distribution 1 را گسترش دهید ، سپس بر روی Negative Electrode Selection 1 کلیک کنید . |
2 | فقط دامنه 1 را انتخاب کنید. |
انتخاب الکترود مثبت 1
1 | در پنجره Model Builder ، روی Positive Electrode Selection 1 کلیک کنید . |
2 | فقط دامنه 3 را انتخاب کنید. |
زمین برق 1
با تنظیم شرایط مرزی کار را تمام کنید. زمین به عنوان مرجع در سمت چپ ترین مرز، جمع کننده جریان الکترود منفی تنظیم می شود. یک جریان در سمت راست ترین مرز، جمع کننده جریان الکترود مثبت اعمال می شود. توجه داشته باشید که جریان 1C از گره Initial Cell Charge Distribution در دسترس است .
1 | در نوار ابزار Physics ، روی  Boundaries کلیک کنید و Electric Ground را انتخاب کنید . |
2 | فقط مرز 1 را انتخاب کنید. |
جریان الکترود 1
1 | در نوار ابزار فیزیک ، روی  Boundaries کلیک کنید و جریان الکترود را انتخاب کنید . |
2 | فقط مرز 4 را انتخاب کنید. |
3 | در پنجره تنظیمات برای جریان الکترود ، بخش جریان الکترود را پیدا کنید . |
4 | در قسمت I s,total text، -I_app را تایپ کنید . |
5 | در فیلد متنی φ s,bnd,init ، 4[V] را تایپ کنید . |
مطالعه 1
برای انجام یک جارو کمکی بر روی دبی C و رسانایی الکترولیت جامد، مطالعه وابسته به زمان را اصلاح کنید .
مرحله 2: وابسته به زمان
1 | در پنجره Model Builder ، در مطالعه 1 ، روی Step 2: Time Dependent کلیک کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات مربوط به زمان وابسته ، قسمت تنظیمات مطالعه را پیدا کنید . |
3 | در قسمت متنی بار خروجی ، 0 4000 را تایپ کنید . |
4 | برای گسترش بخش Study Extensions کلیک کنید . کادر بررسی جارو کمکی را انتخاب کنید . |
5 | از لیست نوع Sweep ، همه ترکیبات را انتخاب کنید . |
6 |  روی افزودن کلیک کنید . |
7 | در جدول تنظیمات زیر را وارد کنید: |
نام پارامتر | لیست مقادیر پارامتر | واحد پارامتر |
C_rate (پارامتر C-rate) | 1 2 4 |
8 |  روی افزودن کلیک کنید . |
9 | در جدول تنظیمات زیر را وارد کنید: |
نام پارامتر | لیست مقادیر پارامتر | واحد پارامتر |
سیگمال (رسانایی الکترولیت) | 0.02 0.05 0.5 1 | S/m |
راه حل 1 (sol1)
1 | در نوار ابزار مطالعه ، روی  Show Default Solver کلیک کنید . |
گام های واقعی انجام شده توسط حل کننده را ذخیره کنید تا مطمئن شوید که تغییرات ولتاژ شدید ناگهانی را ثبت می کند.
2 | در پنجره Model Builder ، گره Solution 1 (sol1) را گسترش دهید ، سپس روی Time-Dependent Solver 1 کلیک کنید . |
3 | در پنجره تنظیمات برای حل وابسته به زمان ، بخش عمومی را پیدا کنید . |
4 | از لیست Times to store ، Steps taken by solver را انتخاب کنید . |
5 | روی Study 1>Solver Configurations>Solution 1 (sol1)>Time-Dependent Solver 1 کلیک راست کرده و Stop Condition را انتخاب کنید . |
6 | در پنجره تنظیمات برای وضعیت توقف ، قسمت عبارات توقف را پیدا کنید . |
7 |  روی افزودن کلیک کنید . |
8 | در جدول تنظیمات زیر را وارد کنید: |
بیان را متوقف کنید | توقف کنید اگر | فعال | شرح |
comp1.PositiveCC(comp1.phis)<2.7 | درست (>=1) | √ | توقف بیان 1 |
9 | قسمت Output at Stop را پیدا کنید . از لیست افزودن راه حل ، مرحله قبل از توقف را انتخاب کنید . |
10 | کادر بررسی Add warning را پاک کنید . |
11 | در پنجره Model Builder ، روی Study 1 کلیک کنید . |
12 | در پنجره تنظیمات برای مطالعه ، قسمت تنظیمات مطالعه را پیدا کنید . |
13 | تیک Generate defaults defaults را پاک کنید . |
14 | در نوار ابزار مطالعه ،  روی محاسبه کلیک کنید . |
نتایج
نمودارها را در مستندات مدل، با پروفیل های ولتاژ سلول در هدایت الکترولیت 0.02S/m شروع کنید ( شکل 1 ).
ولتاژ سلول: سیگمال = 0.02 S/m
1 | در نوار ابزار صفحه اصلی ، روی  Add Plot Group کلیک کنید و 1D Plot Group را انتخاب کنید . |
2 | در پنجره Settings for 1D Plot Group ، Cell Voltage: sigmal = 0.02 S/m را در قسمت نوشتار Label تایپ کنید . |
3 | قسمت Data را پیدا کنید . از لیست انتخاب پارامتر (سیگمال) ، First را انتخاب کنید . |
نمودار نقطه 1
1 | روی Cell Voltage: sigmal = 0.02 S/m کلیک راست کرده و Point Graph را انتخاب کنید . |
2 | فقط مرز 4 را انتخاب کنید. |
3 | در پنجره تنظیمات نمودار نقطه‌ای ، روی Replace Expression در گوشه سمت راست بالای بخش y-Axis Data کلیک کنید . از منو، Component 1 (comp1)>Lithium-Ion Battery>phis – Electric Potential – V را انتخاب کنید . |
4 | برای گسترش بخش Legends کلیک کنید . تیک Show legends را انتخاب کنید . |
5 | از لیست Legends ، ارزیابی شده را انتخاب کنید . |
6 | در قسمت متن Legend eval(C_rate) C را تایپ کنید . |
ولتاژ سلول: سیگمال = 0.02 S/m
1 | در پنجره Model Builder ، روی Cell Voltage: sigmal = 0.02 S/m کلیک کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای گروه طرح 1 بعدی ، برای گسترش بخش عنوان کلیک کنید . |
3 | از لیست نوع عنوان ، دستی را انتخاب کنید . |
4 | در قسمت متن عنوان ، نمایه های ولتاژ سلولی را در \sigma<sub>l</sub> = 0.02 S/m تایپ کنید . |
5 | در نوار ابزار Cell Voltage: sigmal = 0.02 S/m ، روی  Plot کلیک کنید . |
اکنون، شکل قبلی را کپی کنید تا نموداری از پروفیل های ولتاژ سلول در رسانایی الکترولیت 1S/m ایجاد شود ( شکل 2 ).
ولتاژ سلول: سیگمال = 1 S/m
1 | روی Cell Voltage: sigmal = 0.02 S/m کلیک راست کرده و Duplicate را انتخاب کنید . |
2 | در پنجره Settings for 1D Plot Group ، Cell Voltage: sigmal = 1 S/m را در قسمت نوشتار Label تایپ کنید . |
3 | قسمت Data را پیدا کنید . از لیست انتخاب پارامتر (سیگمال) ، گزینه Last را انتخاب کنید . |
4 | قسمت عنوان را پیدا کنید . در قسمت متن عنوان ، نمایه های ولتاژ سلولی را در \sigma<sub>l</sub> = 1 S/m تایپ کنید . |
5 | در نوار ابزار Cell Voltage: sigmal = 1 S/m ، روی  Plot کلیک کنید . |
ولتاژ سلول: 1 C
سپس، نمودارهای پروفیل ولتاژ سلول را به ترتیب در دمای 1 C ( شکل 3 ) و 4 درجه سانتیگراد ( شکل 4 ) برای مقادیر مختلف هدایت الکترولیت ایجاد کنید.
1 | در نوار ابزار صفحه اصلی ، روی  Add Plot Group کلیک کنید و 1D Plot Group را انتخاب کنید . |
2 | در پنجره Settings for 1D Plot Group ، Cell Voltage: 1 C را در قسمت نوشتار Label تایپ کنید . |
3 | قسمت Data را پیدا کنید . از لیست انتخاب پارامتر (C_rate) ، First را انتخاب کنید . |
نمودار نقطه 1
1 | روی Cell Voltage: 1 C کلیک راست کرده و Point Graph را انتخاب کنید . |
2 | فقط مرز 4 را انتخاب کنید. |
3 | در پنجره تنظیمات نمودار نقطه‌ای ، روی Replace Expression در گوشه سمت راست بالای بخش y-Axis Data کلیک کنید . از منو، Component 1 (comp1)>Lithium-Ion Battery>phis – Electric Potential – V را انتخاب کنید . |
4 | قسمت Legends را پیدا کنید . تیک Show legends را انتخاب کنید . |
5 | از لیست Legends ، ارزیابی شده را انتخاب کنید . |
6 | در قسمت متن Legend ، \sigma<sub>l</sub> = eval(sigmal) S/m را تایپ کنید . |
ولتاژ سلول: 1 C
1 | در پنجره Model Builder ، روی Cell Voltage: 1 C کلیک کنید . |
2 | در پنجره Settings for 1D Plot Group ، قسمت Title را پیدا کنید . |
3 | از لیست نوع عنوان ، دستی را انتخاب کنید . |
4 | در قسمت متن عنوان ، پروفایل های ولتاژ سلولی را در 1 درجه سانتیگراد تایپ کنید . |
5 | در نوار ابزار Cell Voltage: 1 C ، روی  Plot کلیک کنید . |
ولتاژ سلول: 4 C
1 | روی Cell Voltage: 1 C کلیک راست کرده و Duplicate را انتخاب کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای گروه طرح 1 بعدی ، ولتاژ سلولی: 4 درجه سانتیگراد را در قسمت نوشتار برچسب تایپ کنید . |
3 | قسمت Data را پیدا کنید . از لیست انتخاب پارامتر (C_rate) ، آخرین را انتخاب کنید . |
4 | قسمت عنوان را پیدا کنید . در قسمت متن عنوان ، پروفایل های ولتاژ سلولی را در 4 درجه سانتیگراد تایپ کنید . |
5 | در نوار ابزار Cell Voltage: 4 C ، روی  Plot کلیک کنید . |
افت پتانسیل الکترولیت: 1 C و سیگمال = 0.02 S/m
در مرحله بعد، نمودارهایی را ایجاد کنید که افت پتانسیل الکترولیت را در دمای 1 درجه سانتیگراد برای دو مقدار هدایت الکترولیت نشان می دهد. شکل 5 و شکل 6 به ترتیب با مقادیر هدایت الکترولیت 0.02S/m و 1S/m مطابقت دارند.
1 | در نوار ابزار صفحه اصلی ، روی  Add Plot Group کلیک کنید و 1D Plot Group را انتخاب کنید . |
2 | در پنجره Settings for 1D Plot Group ، Electrolyte Potential Drop: 1 C و sigmal = 0.02 S/m را در قسمت نوشتار Label تایپ کنید. |
3 | قسمت Data را پیدا کنید . از لیست انتخاب پارامتر (C_rate) ، First را انتخاب کنید . |
4 | از لیست انتخاب پارامتر (سیگمال) ، First را انتخاب کنید . |
نمودار خطی 1
1 | روی Electrolyte Potential Drop: 1 C و sigmal = 0.02 S/m کلیک راست کرده و Line Graph را انتخاب کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای نمودار خط ، بخش Selection را پیدا کنید . |
3 | از لیست انتخاب ، همه دامنه ها را انتخاب کنید . |
4 | قسمت y-Axis Data را پیدا کنید . در قسمت متن Expression ، phil-NegativeCC(phil) را تایپ کنید . |
افت پتانسیل الکترولیت: 1 C و سیگمال = 0.02 S/m
1 | در پنجره Model Builder ، روی Electrolyte Potential Drop: 1 C و sigmal = 0.02 S/m کلیک کنید . |
2 | در پنجره Settings for 1D Plot Group ، قسمت Title را پیدا کنید . |
3 | از لیست نوع عنوان ، دستی را انتخاب کنید . |
4 | در قسمت متن عنوان ، Electrolyte Potential Drop را در 1 C و \sigma<sub>l</sub> = 0.02 S/m را تایپ کنید . |
5 | قسمت Plot Settings را پیدا کنید . |
6 | چک باکس x-axis label را انتخاب کنید . در فیلد متن مرتبط، طول سلول (m) را تایپ کنید . |
7 | کادر بررسی برچسب محور y را انتخاب کنید . در فیلد نوشتاری مرتبط، Electrolytepotential drop (V) را تایپ کنید . |
8 | در نوار ابزار Electrolyte Potential Drop: 1 C و sigmal = 0.02 S/m ، روی  Plot کلیک کنید . |
افت پتانسیل الکترولیت: 1 C و سیگمال = 1 S/m
1 | روی Electrolyte Potential Drop: 1 C و sigmal = 0.02 S/m کلیک راست کرده و Duplicate را انتخاب کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای گروه طرح 1 بعدی ، افت پتانسیل الکترولیت: 1 C و سیگمال = 1 S/m را در قسمت نوشتار برچسب تایپ کنید . |
3 | قسمت Data را پیدا کنید . از لیست انتخاب پارامتر (سیگمال) ، گزینه Last را انتخاب کنید . |
4 | قسمت عنوان را پیدا کنید . در قسمت متن عنوان ، Electrolyte Potential Drop را در 1 C و \sigma<sub>l</sub> = 1 S/m را تایپ کنید . |
5 | در نوار ابزار Electrolyte Potential Drop: 1 C و sigmal = 1 S/m ، روی  Plot کلیک کنید . |
مواد
بخش اول آموزش اکنون کامل شده است. در بخش دوم، عملکرد یک باتری لیتیوم یون حاوی یک الکترولیت جامد با یک الکترولیت مایع دوتایی مقایسه شده است. اکنون اجازه دهید تا تنظیمات مدل برای الکترولیت مایع دوتایی را اصلاح کنیم. با افزودن یک ماده الکترولیت و متعاقباً اصلاح تنظیمات فیزیک شروع کنید.
مواد را اضافه کنید
1 | در نوار ابزار Home ، روی  Add Material کلیک کنید تا پنجره Add Material باز شود . |
2 | به پنجره Add Material بروید . |
3 | در درخت، Battery>Electrolytes>LiPF6 را در 3:7 EC:EMC (Liquid, Li-ion Battery) انتخاب کنید . |
4 | روی Add to Component در نوار ابزار پنجره کلیک کنید . |
5 | در نوار ابزار Home ، روی  Add Material کلیک کنید تا پنجره Add Material بسته شود . |
مواد
LiPF6 در 3:7 EC:EMC (باتری مایع، لیتیوم یون) (mat3)
فقط دامنه 2 را انتخاب کنید.
باتری لیتیوم یونی (LIION)
1 | در پنجره Model Builder ، در قسمت Component 1 (comp1) روی باتری Lithium-Ion Battery (liion) کلیک کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات باتری لیتیوم یونی ، بخش Charge Balance Model را پیدا کنید . |
3 | از لیست، الکترولیت مایع باینری 1:1 را انتخاب کنید . |
الکترولیت 1
1 | در پنجره Model Builder ، در قسمت Component 1 (comp1)>Lithium-Ion Battery (lion) روی Electrolyte 1 کلیک کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای الکترولیت ، بخش خواص الکترولیت را پیدا کنید . |
3 | از لیست σ l ، از مواد را انتخاب کنید . |
الکترود متخلخل 1
1 | در پنجره Model Builder ، روی Porous Electrode 1 کلیک کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای الکترود متخلخل ، بخش خواص الکترولیت را پیدا کنید . |
3 | از لیست مواد الکترولیت ، LiPF6 را در 3:7 EC:EMC (باتری مایع، لیتیوم یون ) (mat3) انتخاب کنید . |
4 | از لیست σ l ، از مواد را انتخاب کنید . |
الکترود متخلخل 2
1 | در پنجره Model Builder ، روی Porous Electrode 2 کلیک کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای الکترود متخلخل ، بخش خواص الکترولیت را پیدا کنید . |
3 | از لیست مواد الکترولیت ، LiPF6 را در 3:7 EC:EMC (باتری مایع، لیتیوم یون ) (mat3) انتخاب کنید . |
4 | از لیست σ l ، از مواد را انتخاب کنید . |
اضافه کردن مطالعه
برای انجام یک جابجایی کمکی روی دبی C-rates، یک Time Dependent با مطالعه Initialization اضافه کنید.
1 | در نوار ابزار Home ، روی  Add Study کلیک کنید تا پنجره Add Study باز شود . |
2 | به پنجره Add Study بروید . |
3 | زیربخش مطالعات را پیدا کنید . در درخت Select Study ، Preset Studies for Selected Physics Interfaces>Time Dependent with Initialization را انتخاب کنید . |
4 | روی Add Study در نوار ابزار پنجره کلیک کنید . |
5 | در نوار ابزار Home ، روی  Add Study کلیک کنید تا پنجره Add Study بسته شود . |
مطالعه 2
مرحله 2: وابسته به زمان
1 | در پنجره Model Builder ، در زیر مطالعه 2 ، روی Step 2: Time Dependent کلیک کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات مربوط به زمان وابسته ، قسمت تنظیمات مطالعه را پیدا کنید . |
3 | در قسمت متنی بار خروجی ، 0 4000 را تایپ کنید . |
4 | قسمت Study Extensions را پیدا کنید . کادر بررسی جارو کمکی را انتخاب کنید . |
5 |  روی افزودن کلیک کنید . |
6 | در جدول تنظیمات زیر را وارد کنید: |
نام پارامتر | لیست مقادیر پارامتر | واحد پارامتر |
C_rate (پارامتر C-rate) | 1 2 4 |
راه حل 3 (sol3)
1 | در نوار ابزار مطالعه ، روی  Show Default Solver کلیک کنید . |
2 | در پنجره Model Builder ، گره Solution 3 (sol3) را گسترش دهید ، سپس روی Time-Dependent Solver 1 کلیک کنید . |
3 | در پنجره تنظیمات برای حل وابسته به زمان ، بخش عمومی را پیدا کنید . |
4 | از لیست Times to store ، Steps taken by solver را انتخاب کنید . |
5 | در پنجره Model Builder ، گره Study 2>Solver Configurations>Solution 3 (sol3)>Time-Dependent Solver 1 را گسترش دهید . |
6 | روی Study 2>Solver Configurations>Solution 3 (sol3)>Time-Dependent Solver 1 کلیک راست کرده و Stop Condition را انتخاب کنید . |
7 | در پنجره تنظیمات برای وضعیت توقف ، قسمت عبارات توقف را پیدا کنید . |
8 |  روی افزودن کلیک کنید . |
9 | در جدول تنظیمات زیر را وارد کنید: |
بیان را متوقف کنید | توقف کنید اگر | فعال | شرح |
comp1.PositiveCC(comp1.phis)<2.7 | درست (>=1) | √ | توقف بیان 1 |
10 | قسمت Output at Stop را پیدا کنید . از لیست افزودن راه حل ، مرحله قبل از توقف را انتخاب کنید . |
11 | کادر بررسی Add warning را پاک کنید . |
12 | در پنجره Model Builder ، روی Study 2 کلیک کنید . |
13 | در پنجره تنظیمات برای مطالعه ، قسمت تنظیمات مطالعه را پیدا کنید . |
14 | تیک Generate defaults defaults را پاک کنید . |
15 | در نوار ابزار مطالعه ،  روی محاسبه کلیک کنید . |
نتایج
ولتاژ سلول: تک یونی در مقابل باینری
در نهایت، نموداری ایجاد کنید که پروفایل‌های ولتاژ سلولی را برای مدل‌های رسانای تک یونی (در هدایت الکترولیت 1S/m) و مدل‌های تعادل بار الکترولیت مایع باینری مقایسه می‌کند (شکل 7 ) .
1 | در نوار ابزار صفحه اصلی ، روی  Add Plot Group کلیک کنید و 1D Plot Group را انتخاب کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای گروه طرح 1 بعدی ، ولتاژ سلولی: تک یونی در مقابل باینری را در قسمت نوشتار برچسب تایپ کنید . |
3 | قسمت Data را پیدا کنید . از لیست Dataset ، None را انتخاب کنید . |
نمودار نقطه 1
1 | روی Cell Voltage: Single-Ion vs. Binary کلیک راست کرده و Point Graph را انتخاب کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای نمودار نقطه ، بخش داده را پیدا کنید . |
3 | از فهرست مجموعه داده ، مطالعه 1/راه حل 1 (sol1) را انتخاب کنید . |
4 | از لیست انتخاب پارامتر (سیگمال) ، گزینه Last را انتخاب کنید . |
5 | فقط مرز 4 را انتخاب کنید. |
6 | روی Replace Expression در گوشه سمت راست بالای بخش y-Axis Data کلیک کنید . از منو، Component 1 (comp1)>Lithium-Ion Battery>phis – Electric Potential – V را انتخاب کنید . |
7 | قسمت x-Axis Data را پیدا کنید . از فهرست داده های منبع محور ، زمان را انتخاب کنید . |
8 | قسمت Legends را پیدا کنید . تیک Show legends را انتخاب کنید . |
9 | از لیست Legends ، ارزیابی شده را انتخاب کنید . |
10 | در قسمت متن Legend ، eval(C_rate) C، single-ion را تایپ کنید . |
نمودار نقطه 2
1 | روی Point Graph 1 کلیک راست کرده و Duplicate را انتخاب کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای نمودار نقطه ، بخش داده را پیدا کنید . |
3 | از فهرست مجموعه داده ، مطالعه 2/راه حل 3 (sol3) را انتخاب کنید . |
4 | برای گسترش بخش Coloring and Style کلیک کنید . زیربخش Line style را پیدا کنید . از لیست Line ، Dashed را انتخاب کنید . |
5 | از لیست رنگ ، چرخه (بازنشانی) را انتخاب کنید . |
6 | قسمت Legends را پیدا کنید . در قسمت متن Legend ، eval(C_rate) C، باینری را تایپ کنید . |
ولتاژ سلول: تک یونی در مقابل باینری
1 | در پنجره Model Builder ، روی Cell Voltage: Single-Ion vs. Binary کلیک کنید . |
2 | در پنجره Settings for 1D Plot Group ، قسمت Title را پیدا کنید . |
3 | از لیست نوع عنوان ، دستی را انتخاب کنید . |
4 | در قسمت متن عنوان ، نمایه های ولتاژ سلولی: تک یونی در مقابل باینری را تایپ کنید . |
5 | در نوار ابزار Cell Voltage: Single-Ion vs. Binary ، روی  Plot کلیک کنید . |
