بذر باتری لیتیوم یون

View Categories

بذر باتری لیتیوم یون

13 min read

PDF

بذر باتری لیتیوم یون
معرفی
این یک مدل قالب حاوی فیزیک، هندسه و شبکه یک باتری لیتیوم یونی است. قابلیت نرخ باتری لیتیوم یونی ، مقاومت داخلی باتری لیتیوم یونی ، نظارت بر چرخه محرک باتری لیتیوم یونی 1 بعدی و استرس ناشی از انتشار در باتری لیتیوم یونی که در کتابخانه برنامه های کاربردی موجود است، از این مدل استفاده می کنند. توجه داشته باشید که سه اپلیکیشن قبلی به دسته مدل های مدیریت باتری تعلق دارند.
این راه‌اندازی مدل با استفاده از رابط باتری لیتیوم-یون انجام می‌شود و عمدتاً ویژگی‌های فیزیکی پیش‌فرض را شامل می‌شود. خواص مواد از کتابخانه مواد باتری گرفته شده است. به عنوان ورودی، فقط باید تصمیم بگیرید که کدام ولتاژ سلول اولیه (یا SOC سلول اولیه)، ظرفیت باتری، و ضخامت الکترودها و جداکننده را می خواهید.
تعریف مدل
این مدل برای یک سلول باتری گرافیتی/LMO تنظیم شده است. مواد از کتابخانه مواد باتری در دسترس هستند و عمدتا تنظیمات پیش فرض انتخاب شده اند. دامنه های مدل عبارتند از:
الکترود متخلخل منفی: گرافیت (MCMB Li x C 6 ) ماده فعال و هادی الکترونیکی.
جداکننده.
الکترود متخلخل مثبت: مواد فعال LMO (LiMn 2 O 4 )، هادی الکترونیکی و پرکننده.
الکترولیت: 1.0 M LiPF 6 در EC:DEC (1:1 وزن)
این مجموعه سلول باتری، بسته به وضعیت شارژ (SOC) سلول، ولتاژ سلولی حدود 4 ولت می دهد.
رابط باتری لیتیوم یونی شامل موارد زیر است:
هدایت الکترونیکی در الکترودها
انتقال بار یونی در الکترودها و الکترولیت/جداکننده
انتقال مواد در الکترولیت، امکان معرفی اثرات غلظت بر رسانایی یونی و پتانسیل بیش از حد غلظت
انتقال مواد در ذرات کروی شکل که الکترودها را تشکیل می دهند
سینتیک الکترود باتلر-ولمر با استفاده از منحنی‌های تخلیه تجربی اندازه‌گیری شده برای پتانسیل تعادل.
نمونه ای از پارامترهایی که به تنهایی برای اجرای مدل تنظیم کرده اید در جدول 1 آورده شده است . مقادیر برای یک سلول باتری معمولی 12  Ah گرافیت/LMO انتخاب می شوند.
جدول 1: پارامترهای مورد نیاز برای تنظیم توسط کاربر.
پارامتر
ارزش
شرح
Q_B
12 آه
ظرفیت باتری
Ecell_heat
3.9 V
ولتاژ اولیه باتری
L_neg
30 میکرومتر _
الکترود منفی ضخامت
L_pos
55 میکرومتر _
الکترود مثبت ضخامت
L_Sep
30 میکرومتر _
جدا کننده ضخامت
این مثال از ویژگی جهانی توزیع شارژ اولیه سلولی استفاده می کند. این به شما امکان می دهد ولتاژ سلول اولیه (یا وضعیت شارژ سلول اولیه (SOC)) را به عنوان ورودی مدل تنظیم کنید. این ویژگی غلظت لیتیوم (در مورد باتری های لیتیوم یونی) را در مواد الکترود فعال، s محاسبه می کند و الکترودهای موجود در سلول را نسبت به یکدیگر متعادل می کند. برای مطالعه بیشتر در مورد این ویژگی، بخش Initial Cell Charge Distribution در راهنمای کاربر ماژول طراحی باتری را ببینید .
بخش بعدی شامل بحثی است که فقط در مورد مدل های مدیریت باتری (که در بالا ذکر شد) که در آن از این مدل الگو استفاده شده است، کاربرد دارد.
مدیریت باتری
این مثال کاربردی برای بررسی موارد زیر در باتری های لیتیوم یونی تحت شرایط همدما مفید است:
ولتاژ،
پلاریزاسیون (افت ولتاژ)،
مقاومت داخلی،
حالت شارژ (SOC) و
قابلیت نرخ گذاری
توجه داشته باشید که همیشه می توان سیستم را با رابط انتقال حرارت غیر گرمایی کرد. به این ترتیب، ویژگی ششم، دما، ممکن است به لیست بالا اضافه شود.
برخی از ویژگی های فهرست شده نقش مهمی در سیستم های مدیریت باتری (BMS) در خودروهای الکتریکی و هیبریدی دارند ( شکل 1 را ببینید ). هرچه بتوان ویژگی‌های بیشتری را به دقت بررسی کرد، مدیریت باتری به منظور به حداکثر رساندن بازده انرژی و طول عمر و تضمین ایمنی آسان‌تر است.
شکل 1: خودروی الکتریکی با اجزای کلیدی در سیستم مدیریت باتری به تصویر کشیده شده است. همانطور که نمودار جریان در سمت راست نشان می دهد، ولتاژ باتری اغلب نظارت می شود و از این طریق SOC یا محاسبه می شود یا از داده های تجربی تعیین می شود. اطلاعات مانیتور تعیین می کند که چگونه واحد کنترل باتری را تنظیم می کند.
برای تولید کنندگان باتری، می توان در هنگام بهینه سازی طراحی باتری، همان ویژگی ها را در نظر گرفت، برای مثال انتخاب مواد و ضخامت الکترودها.
چندین متغیر مفید با مدل های مدیریت باتری در دسترس هستند. برای SOCهای الکترودها، هر دو “coulombic” و “در بار” در رابط باتری لیتیوم یون تعریف شده اند. “Coulombic” در مقابل “در بار” تاثیر هر گونه قطبش در باتری را حذف می کند. این به این معنی است که نوع “کولمبیک” بر اساس غلظت متوسط ​​در ذره و “بار” روی غلظت سطح ذره است.
SOC، کولمبیک، در هر الکترود:
(1)
SOC، در بار، در هر الکترود:
(2)
SOC سلولی نیز می تواند به صورت “coulombic” یا “در بارگذاری” باشد. SOC سلول، کولمبیک، در مدل به صورت زیر محاسبه می شود:
(3)
که در آن میانگین غلظت لیتیوم قابل چرخش در ذرات الکترود وارد می شود که به صورت زیر تعریف می شود:
(4)
سلول SOC، در بار، به صورت زیر محاسبه می شود:
(5)
جایی که غلظت لیتیوم قابل چرخش در سطح ذرات الکترود وارد می شود که به صورت زیر تعریف می شود:
(6)
تعاریف SOC علاوه بر این برای محاسبه پتانسیل مدار باز کولمبیک یا در بارگذاری هر الکترود و ولتاژهای سلول مدار باز مربوطه استفاده می شود.
علاوه بر این، مدل همچنین پتانسیل محلی را در فازهای جامد و الکترولیت برای محاسبه ولتاژ سلول، سلول E ، و پتانسیل هر الکترود، E ، در طول بار تنظیم می‌کند، همانطور که در معادله 7 و معادله 8 نشان داده شده است .
(7)
(8)
در اینجا، “cc” مرز جمع کننده فعلی و “sep” مرز جداکننده را نشان می دهد.
پلاریزاسیون کل در مدل نیز تعیین می شود. این به عنوان تفاوت بین ولتاژ سلول و ولتاژ سلول مدار باز (کولومبیک) محاسبه می شود.
(9)
به همین ترتیب، قطبش الکترودها را می توان به عنوان اختلاف بین پتانسیل الکترود و پتانسیل مدار باز (کولومبیک) به دست آورد.
تنظیمات مطالعه
برای اینکه ویژگی Initial Cell Charge Distribution عمل کند، یک مرحله مطالعه اولیه توزیع فعلی مورد نیاز است.
ارجاع
1. M. Doyle و Y. Fuentes، “شبیه سازی کامپیوتری یک باتری لیتیوم یون پلیمری و مفاهیم برای طرح های باتری نسل بعدی با ظرفیت بالاتر،” J. Electrochem. Soc. ، جلد 150، شماره 6، صفحات A706–A713، 2003.
مسیر کتابخانه برنامه: Battery_Design_Module/Batteries,_Lithium-ion/li_battery_seed
دستورالعمل های مدل سازی
از منوی File ، New را انتخاب کنید .
جدید
در پنجره جدید ، روی  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  (lion) 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 . این مرحله مطالعه به طور خودکار پتانسیل های اولیه در سلول را محاسبه می کند.
6
 روی Done کلیک کنید .
تعاریف جهانی
این مدل عمدتاً از ورودی پارامترهای پیش فرض استفاده می کند. البته ظرفیت باتری و ولتاژ اولیه آن به همراه ضخامت الکترودها و جداکننده باید تنظیم شود.
پارامترهای 1
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
در جدول تنظیمات زیر را وارد کنید:
 
نام
اصطلاح
ارزش
شرح
Q_B
12 [آه]
43200 C
ظرفیت باتری
Ecell_heat
3.90 [V]
3.9 V
ولتاژ سلول اولیه
مواد را اضافه کنید
این مدل دارای یک الکترود گرافیت منفی، یک الکترود مثبت LMO و یک الکترولیت LiPF6 1:1 EC:DEC است. مطالب را از کتابخانه مواد باتری وارد 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  1:1  EC:DEC  (Liquid,  Li-ion  Battery) انتخاب کنید .
4
روی انتهای سمت راست دکمه تقسیم Add  to  Component در نوار ابزار پنجره کلیک کنید.
5
از منو، Add  to  Global  Materials را انتخاب کنید .
6
در درخت، باتری > الکترودها > گرافیت،  LixC6  MCMB  (منفی، باتری  لیتیوم یونی  ) را انتخاب کنید .
7
روی انتهای سمت راست دکمه تقسیم Add  to  Component در نوار ابزار پنجره کلیک کنید.
8
از منو، Add  to  Global  Materials را انتخاب کنید .
9
در درخت، Battery>Electrodes>LMO,  LiMn2O4  Spinel  (مثبت، باتری  Li-ion  ) را انتخاب کنید .
10
روی انتهای سمت راست دکمه تقسیم Add  to  Component در نوار ابزار پنجره کلیک کنید.
11
از منو، Add  to  Global  Materials را انتخاب کنید .
12
در نوار ابزار Home ، روی  Add  Material کلیک کنید تا پنجره Add  Material بسته شود .
تعاریف
پروب ولتاژ سلول
1
در نوار ابزار تعاریف ، روی  Probes کلیک کنید و Global  Variable  Probe را انتخاب کنید .
2
در پنجره تنظیمات برای پروب متغیر جهانی  ، کاوشگر ولتاژ سلولی را در قسمت نوشتار برچسب تایپ کنید .
3
قسمت Expression را پیدا کنید . در قسمت متن Expression ، Ecell را تایپ کنید .
هندسه 1
فاصله 1 (i1)
1
در پنجره Model  Builder ، در قسمت Component   (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)
30e-6
30e-6
55e-6
5
 روی Build  Selected کلیک کنید .
تعاریف
انتخاب های صریح در هندسه مدل انجام می شود.
الکترود منفی
1
در نوار ابزار تعاریف ، روی  Explicit کلیک کنید .
2
در پنجره تنظیمات برای Explicit ، الکترود منفی را در قسمت نوشتار برچسب تایپ کنید .
3
فقط دامنه 1 را انتخاب کنید.
جداکننده
1
در نوار ابزار تعاریف ، روی  Explicit کلیک کنید .
2
فقط دامنه 2 را انتخاب کنید.
3
در پنجره تنظیمات برای Explicit ، Separator را در قسمت نوشتار Label تایپ کنید .
الکترود مثبت
1
در نوار ابزار تعاریف ، روی  Explicit کلیک کنید .
2
فقط دامنه 3 را انتخاب کنید.
3
در پنجره تنظیمات برای Explicit ، الکترود مثبت را در قسمت نوشتار برچسب تایپ کنید .
ادغام 1 (در اول)
1
در نوار ابزار تعاریف ، روی  Nonlocal  Couplings کلیک کرده و Integration را انتخاب کنید .
2
در پنجره تنظیمات برای ادغام ، در قسمت متن نام اپراتور منفی را تایپ کنید .
3
بخش انتخاب منبع  را پیدا کنید . از لیست انتخاب ، الکترود منفی را انتخاب کنید .
ادغام 2 (intop2)
1
در نوار ابزار تعاریف ، روی  Nonlocal  Couplings کلیک کرده و Integration را انتخاب کنید .
2
در پنجره تنظیمات برای ادغام ، در قسمت متن نام اپراتور مثبت را تایپ کنید .
3
بخش انتخاب منبع  را پیدا کنید . از لیست انتخاب ، الکترود مثبت را انتخاب کنید .
ادغام 3 (intop3)
مرز انتهایی، یعنی جمع کننده جریان الکترود مثبت را به همراه بقیه مرزهای الکترود انتخاب کنید.
1
در نوار ابزار تعاریف ، روی  Nonlocal  Couplings کلیک کرده و Integration را انتخاب کنید .
2
در پنجره تنظیمات برای ادغام ، pos_cc 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 4 (pos_cc2)
1
روی Integration   (pos_cc) کلیک راست کرده و Duplicate را انتخاب کنید .
2
در پنجره تنظیمات برای ادغام ، neg_cc را در قسمت متنی نام اپراتور  تایپ کنید .
3
فقط مرز 1 را انتخاب کنید.
ادغام 5 (neg_cc2)
1
روی Integration   (neg_cc) کلیک راست کرده و Duplicate را انتخاب کنید .
2
در پنجره تنظیمات برای ادغام ، neg_sep را در قسمت متنی نام اپراتور  تایپ کنید .
3
فقط مرز 2 را انتخاب کنید.
ادغام 6 (neg_sep2)
1
روی Integration   (neg_sep) کلیک راست کرده و Duplicate را انتخاب کنید .
2
در پنجره تنظیمات برای ادغام ، pos_sep را در قسمت متنی نام اپراتور  تایپ کنید .
3
فقط مرز 3 را انتخاب کنید.
مواد
پیوند مواد 1 (matlnk1)
در پنجره Model  Builder ، در قسمت Component   (comp1) روی Materials راست کلیک کرده و More  Materials>Material  Link را انتخاب کنید .
Material Link 2 (matlnk2)
1
روی Materials کلیک راست کرده و More  Materials>Material  Link را انتخاب کنید .
2
در پنجره تنظیمات برای Material  Link ، قسمت تنظیمات پیوند  را پیدا کنید .
3
از لیست مواد ، Graphite،  LixC6  MCMB  (منفی،  باتری لیتیوم یونی )  (mat2) را انتخاب کنید .
Material Link 3 (matlnk3)
1
روی Materials کلیک راست کرده و More  Materials>Material  Link را انتخاب کنید .
2
در پنجره تنظیمات برای Material  Link ، قسمت تنظیمات پیوند  را پیدا کنید .
3
از لیست مواد ، LMO،  LiMn2O4  Spinel  (مثبت،  باتری لیتیوم یونی )  (mat3) را انتخاب کنید .
باتری لیتیوم یونی (LIION)
سه حوزه باتری معمولی را در رابط باتری لیتیوم یون اضافه کنید: یک الکترود متخلخل منفی، یک الکترود متخلخل مثبت و یک جداکننده.
الکترود متخلخل 1
برای الکترود منفی، خصوصیات مواد را در صورت امکان انتخاب کنید. شعاع ذرات الکترود منفی را تغییر دهید. غلظت اولیه لیتیوم در گرافیت در ادامه محاسبه می شود.
1
در پنجره Model  Builder ، در قسمت Component   (comp1) روی Lithium-Ion  Battery  (lion) کلیک راست کرده و Porous  Electrode را انتخاب کنید .
2
در پنجره تنظیمات برای الکترود متخلخل  ، بخش انتخاب دامنه را پیدا کنید .
3
از لیست انتخاب ، الکترود منفی را  انتخاب کنید .
4
قسمت Electrolyte  Properties را پیدا کنید . از لیست مواد الکترولیت  ، Material Link (matlnk1) را انتخاب کنید .
5
قسمت Electrode  Properties را پیدا کنید . از لیست مواد الکترود  ، Material Link (matlnk2) را انتخاب کنید .
درهم آمیختگی ذرات 1
1
در پنجره Model  Builder ، روی Particle  Intercalation  1 کلیک کنید .
2
در پنجره Settings for Particle  Intercalation ، بخش Material را پیدا کنید .
3
از لیست مواد ذرات  ، Material Link (matlnk2) را انتخاب کنید .
4
قسمت خصوصیات انتقال ذرات  را پیدا کنید . در قسمت متن p ، 2e-6[m] 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  ، قسمت Material را پیدا کنید .
3
از لیست Material ، Material  Link   (matlnk2) را انتخاب کنید .
الکترود متخلخل 2
خواص مواد را برای الکترود مثبت نیز انتخاب کنید. شعاع ذرات الکترود مثبت را تغییر دهید. غلظت اولیه لیتیوم در LMO بیشتر محاسبه می شود.
1
در نوار ابزار Physics ، روی  Domains کلیک کنید و Porous  Electrode را انتخاب کنید .
2
در پنجره تنظیمات برای الکترود متخلخل  ، بخش انتخاب دامنه را پیدا کنید .
3
از لیست انتخاب ، الکترود مثبت را  انتخاب کنید .
4
قسمت Electrolyte  Properties را پیدا کنید . از لیست مواد الکترولیت  ، Material Link (matlnk1) را انتخاب کنید .
5
قسمت Electrode  Properties را پیدا کنید . از لیست مواد الکترود  ، Material Link (matlnk3) را انتخاب کنید .
درهم آمیختگی ذرات 1
1
در پنجره Model  Builder ، روی Particle  Intercalation  1 کلیک کنید .
2
در پنجره Settings for Particle  Intercalation ، بخش Material را پیدا کنید .
3
از لیست مواد ذرات  ، Material Link (matlnk3) را انتخاب کنید .
4
قسمت خصوصیات انتقال ذرات  را پیدا کنید . در قسمت متن p ، 2e-6[m] 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  ، قسمت Material را پیدا کنید .
3
از لیست Material ، Material  Link   (matlnk3) را انتخاب کنید .
جداکننده 1
از آنجایی که یک الکترولیت مایع انتخاب شده است، مدل باتری به جداکننده نیاز دارد.
1
در نوار ابزار Physics ، روی  Domains کلیک کنید و Separator را انتخاب کنید .
2
در پنجره Settings for Separator ، بخش Domain  Selection را پیدا کنید .
3
از لیست انتخاب ، جداکننده را انتخاب کنید .
4
قسمت Electrolyte  Properties را پیدا کنید . از لیست مواد الکترولیت  ، Material Link (matlnk1) را انتخاب کنید .
ویژگی جهانی Initial Cell Charge Distribution را انتخاب کنید تا ولتاژ سلول یا وضعیت شارژ سلول در ابتدا به عنوان ورودی مجاز باشد. این ویژگی غلظت اولیه لیتیوم را در مواد الکترود محاسبه می کند و با محاسبه کسر حجمی ماده الکترود در هر الکترود، الکترودها را متعادل می کند.
توزیع اولیه شارژ سلولی 1
1
در نوار ابزار Physics ، روی  Global کلیک کنید و Initial  Cell  Charge  Distribution را انتخاب کنید .
از آنجایی که این یک باتری لیتیوم یونی با الکترود کربن منفی است، کسرهای پیش فرض در بخش تعادل الکترود سلول باتری را می توان نگه داشت.
2
در پنجره تنظیمات برای توزیع اولیه  شارژ سلول  ، قسمت پارامترهای سلول باتری را پیدا کنید .
3
در فیلد متنی سلول E ، Ecell_init را تایپ کنید .
4
در فیلد متنی سلول Q ، Q_B 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.
الکترود متخلخل 1
برای متعادل کردن الکترودها در سلول و بهینه‌سازی استفاده از مواد الکترود برای الکترودها، دوباره به گره‌های الکترود متخلخل مراجعه کنید و کسر حجمی ماده الکترود را که توسط ویژگی توزیع شارژ اولیه سلول محاسبه شده است وارد کنید.
1
در پنجره Model  Builder ، در قسمت Component   (comp1)>Lithium-Ion  Battery  (lion) روی الکترود متخلخل  1 کلیک کنید .
2
در پنجره تنظیمات برای الکترود متخلخل  ، بخش خصوصیات ماتریس متخلخل را پیدا کنید .
3
در قسمت متن ε s ، liion.epss_neg را تایپ کنید .
4
در قسمت متن ε l ، 1-liion.epss_neg را تایپ کنید .
الکترود متخلخل 2
1
در پنجره Model  Builder ، روی Porous  Electrode  2 کلیک کنید .
2
در پنجره تنظیمات برای الکترود متخلخل  ، بخش خصوصیات ماتریس متخلخل را پیدا کنید .
3
در قسمت متن ε s ، liion.epss_pos را تایپ کنید .
4
در قسمت متن ε l ، 1-liion.epss_pos را تایپ 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. به عنوان مثال، نرخ تخلیه 1C را با جریان 1C در دسترس با ویژگی Initial Cell Charge Distribution تنظیم کنید.
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 s,total text، -liion.I_1C را تایپ کنید .