Comsol锂电池体积和孔隙率变化建模 - 耦合电化学-力学模型

写在前面近期有很多朋友来问我能不能做有关力学的模型包括挤压触发热失控、使用过程中的应力变化机理研究、通过膨胀行为实现电池的状态估计等我觉得所有和力学相关的问题都离不开最基础的底层力学表现描述但这个简单问题好像不被大家重视有感写一下这篇博客。锂离子电池在充放电过程中会发生体积和孔隙率的变化这会影响电池的性能和寿命。本文将介绍一种基于耦合电化学-力学模型的锂离子电池体积和孔隙率变化建模方法并详细阐述其建模逻辑和步骤。参考文献如下建模方法采用的耦合模型将电化学模型和力学模型进行耦合分别模拟锂离子电池的电化学过程和力学过程并通过体积平衡方程实现两者之间的相互作用。讲人话就是力学算变形和应力应力输入电化学电化学算局部电流密度锂化状态输出膨胀力作用到外壳上形成闭环。中间涉及到的孔隙率和体积通过方程控制计算。电化学模型电化学模型采用 Doyle-Fuller-Newman (DFN) 模型该模型基于浓差电池和多孔电极的理论将电极材料视为均匀的连续介质。模型方程包括质量平衡方程、电荷平衡方程、电极动力学方程和有效传输参数方程。这些都是最基础的那一套如果不太懂的话可以看我之前的帖子或者问问Ai。我按照论文的思路先做了一个1维的模型然后后面加了点自己的想法做了个二维的模型大家可以先从一维的入手。我的模型包含两个组件实在不想计算三维的太慢了就用两个组件分别研究了两个方向然后通过映射实现了耦合效果还不错第一个组件是老生常谈的厚度方向上的建模研究第二个是垂直于方向1的方向主要来研究电池外壳对电芯的约束。力学模型力学模型采用固体力学中的孔弹性材料模型将电极材料视为非线性的孔隙弹性材料。模型方程包括运动方程、应力应变关系、体积平衡方程和孔隙率模型方程可以参考原文中的Eq1~19。这里的模型方程是最为重要的。实验台和几何示意图如下体积平衡方程为了实现电化学模型和力学模型之间的相互作用需要建立体积平衡方程。论文提出的体积平衡方程基于体积守恒原理将电极材料、非活性材料和孔隙空间的体积变化进行平衡从而计算孔隙率的变化。具体方程可以参考原文中的Eq20~46。利用论文中的方程可以在Comsol中进行定义正极空隙的定义如下其他部分同理均可以通过论文中的方程式进行转译必要的函数关系在全局定义中定义。针对1维和2维锂离子电池接口下的方程定义方法是一样的强烈建议各位从1维入手。结果现在大部分都是做三场耦合实验室也有测温条件就顺手把温度也做了拟合效果还不错。未完待续