Atualizações do Batteries & Fuel Cells Module

Para usuários do Batteries & Fuel Cells Module, a versão 5.2a do COMSOL Multiphysics® traz uma nova interface multifísica Reacting Flow para acoplar o escoamento de fluidos e reações em gases e líquidos, bem como uma nova interface Single Particle Battery, que simplifica a modelagem de baterias de hidreto metálico de íon de lítio e níquel. A funcionalidade estendida nas interfaces Lithium-Ion Battery e Battery with Binary Electrolyte inclui uma opção de rápida montagem, opções padrão aprimorada para solvers e estabilidade numérica para SOCs altos e baixos. Veja abaixo mais detalhes das atualizações feitas no Batteries & Fuel Cells Module.

Nova Interface Single Particle Battery

A nova interface Single Particle Battery oferece uma abordagem simplificada para modelagem de vários tipos de baterias, incluindo baterias de hidreto metálico de níquel e íon-lítio. As equações governantes, que descrevem a bateria, geralmente são válidas para níveis de corrente médio e baixo, e podem ser definias globalmente (resultando em uma pequena carga computacional) ou localmente na geometria. A opção local pode ser usada para estudar os efeitos de uma distribuição não uniforme de temperatura em grandes baterias recarregáveis.

A nova abordagem de partícula única é eficiente e precisa em termos computacionais, a um custo moderado. Isso permite a modelagem de montagens 3D complexas de packs de baterias recarregáveis a um custo computacional relativamente baixo, com os comportamentos de recarga e descarga fornecidos pelo modelo simples de partícula única em cada ponto da descrição tridimensional da bateria.

**Caminho na Biblioteca de Aplicações para um exemplo que usa a nova interface Single Particle Battery: **

Batteries_and_Fuel_Cells_Module/Batteries,_Lithium-Ion/li_battery_single_particle

Nova Interface de Multifísica Reacting Flow

Para melhorar o estudo dos escoamentos de fluidos e reações em gases e líquidos, a nova interface multifísica Reacting Flow combina as interfaces Single-Phase Flow e Transport of Concentrated Species. Antes disponível como uma interface autônoma, a nova interface multifísica Reacting Flow proporciona melhor controle das configurações em cada interface de física, bem como do acoplamento multifísico entre elas.

Usando o novo acoplamento Reacting Flow, o processo de resolução de qualquer interface acoplada separadamente, ou ao mesmo tempo, foi consideravelmente aprimorado. Para o escoamento reacional, é importante criar as condições iniciais adequadas ou testar como os resultados são afetados pelo acoplamento. A interface multifísica Reacting Flow suporta escoamentos reacionais laminares e turbulentos, bem como escoamentos e reações em meios porosos.

Caminho na Biblioteca de Aplicações para um exemplo que usa a nova interface multifísica Reacting Flow:

Chemical_Reaction_Engineering_Module/Reactors_with_Mass_and_Heat_Transfer/round_jet_burner

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Nova Funcionalidade no Transporte de Espécies Concentradas: Porous Media Transport Properties

O novo recurso Porous Media Transport Properties permite estudar o transporte de múltiplos componentes em uma solução que flui através de um meio poroso. A nova funcionalidade inclui modelos para calcular propriedades efetivas de transporte que dependem da porosidade do material em combinação com o transporte em misturas concentradas.

Caminho na Biblioteca de Aplicações para um exemplo que usa o novo recurso Porous Media Transport Properties da interface Transport of Concentrated Species:

Chemical_Reaction_Engineering_Module/Reactors_with_Porous_Catalysts/carbon_deposition

A distribuição de porosidade em um reator para a decomposição térmica de metano em um catalisador sólido Ni-Al2O3 é estudada usando o recurso Porous Media Transport Properties. A porosidade diminui à medida que se forma fuligem na reação de decomposição. A distribuição de porosidade em um reator para a decomposição térmica de metano em um catalisador sólido Ni-Al2O3 é estudada usando o recurso Porous Media Transport Properties. A porosidade diminui à medida que se forma fuligem na reação de decomposição.
A distribuição de porosidade em um reator para a decomposição térmica de metano em um catalisador sólido Ni-Al2O3 é estudada usando o recurso Porous Media Transport Properties. A porosidade diminui à medida que se forma fuligem na reação de decomposição.

Nova Interface Nernst-Planck-Poisson Equations

A nova interface multifísica Nernst-Planck-Poisson Equations pode ser usada para investigar distribuições de íons e cargas em uma camada eletroquímica dupla, onde não é possível assumir a neutralidade da carga. A interface Nernst-Planck-Poisson Equations adiciona as interfaces Electrostatics e Transport of Diluted Species ao modelo, juntamente com acoplamentos pré-definidos para potencial e densidade de carga no espaço.

Nova Condição de Contorno External Short

A nova condição de contorno External Short permite curto-circuitar Superfícies de Eletrodos, Eletrodos e Eletrodos Porosos através de uma resistência concentrada externa. A nova condição de contorno é adequada para estudar curto-circuitos em baterias, por exemplo, ou para interconectar grandes objetos eletroquimicamente ativos em problemas de proteção contra corrosão.

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Novo Nó Multifísico Electrochemical Heat Source

A nova interface multifísica Electrochemical Heat Source oferece uma maneira opcional de acoplar as fontes de calor eletroquímicas a uma interface de transferência de calor.

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Novo Tipo de Cinética de Equilíbrio Termodinâmico

As reações de eletrodos agora suportam o novo tipo de cinética de eletrodo Thermodynamic Equilibrium (conhecido como Primary Condition na interface Secondary Current Distribution), que assume sobrepotencial zero (perdas de voltagem insignificantes).

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Novo Suporte à Resistência de Filme e Espécies que se Dissolvem ou Depositam em Eletrodos de Aresta e Porosos

Os nós Porous Electrode e Edge Electrode agora suportam a adição de Resistências de Filme e Espécies que se Dissolvem-Depositam. Anteriormente, isso era suportado apenas pelo recurso Electrode Surface. Espécies que se dissolvem-depositam e resistências de filme em eletrodos porosos podem, por exemplo, ser usadas para modelar a formação de SEI (solid-electrolyte-interphase) em baterias de íon-lítio.

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Nova Opção Fast Assembly nas Interfaces Lithium-Ion Battery e Battery with Binary Electrolyte

Ao habilitar a opção Fast assembly in particle dimension do nó Porous Electrode, o tempo computacional para alguns modelos de bateria que usam intercalação de partículas é drasticamente reduzido. O efeito é mais pronunciado em modelos 1D, quando o número de elementos de malha nos elementos da bateria são comparáveis ao número de elementos na dimensão da partícula. No entanto, ao usar esta opção não é possível pós-processar dados da solução no eixo dimensional da partícula, ou usar propriedades variáveis de materiais, como o coeficiente de difusão de sólidos, na dimensão da partícula.

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Configurações Padrões de Solver Aprimoradas Para as Interfaces Lithium-Ion Battery e Battery with Binary Electrolyte

Nas dimensões espaciais 2D e 3D, as concentrações intercalantes agora são colocadas em grupos separados, em um solver segregado. Isso reduz os requisitos de memória para problemas grandes, bem como o tempo computacional para as simulações.

Estabilidade Numérica Aprimorada para SOCs Altos e Baixos nas Interfaces Lithium-Ion Battery e Battery with Binary Electrolyte

A estabilidade numérica, quando Lithium insertion kinetics é usado no nó Porous Electrode Reaction, foi aprimorada para valores SOC próximos de 0% e 100%. A formulação aperfeiçoada para cinética é usada por padrão em novos modelos. Para usar a nova expressão cinética em um modelo antigo, habilite-a na seção Advanced Insertion Kinetics Expression Settings (mostrada somente quando Advanced Physics Options é habilitada).

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Novo Modelo Tutorial: Short Circuit of a Lithium-Ion Battery

Durante um curto-circuito interno em uma bateria, os dois materiais dos eletrodos são interconectados internamente e eletronicamente, originando altas densidades locais de corrente. Curto-circuitos internos podem ocorrer em uma bateria de íon-lítio devido à formação de dendritos de lítio ou à um choque compressivo, por exemplo. Um curto-circuito interno prolongado resulta em descarga juntamente com um aumento na temperatura local. Esse segundo efeito é importante porque o eletrólito pode começar a se decompor devido à reações exotérmicas se a temperatura ultrapassar determinado limite, causando descontrole térmico, com possíveis riscos à segurança e saúde.

Este modelo tutorial investiga o aumento na temperatura local devido à penetração de um filamento metálico no separador entre os dois materiais de eletrodos porosos. A física é configurada usando a interface Lithium-Ion Battery acoplada à interface Heat Transfer. A química da bateria consiste de um eletrodo de grafite positivo e um eletrodo NMC positivo com um eletrólito LiPF6.

Caminho na Biblioteca de Aplicações para o modelo tutorial Internal Short Circuit of a Lithium-Ion Battery:

Batteries_and_Fuel_Cells_Module/Batteries,_Lithium-Ion/internal_short_circuit

Uma seção transversal da distribuição de temperaturas em uma bateria de íon-lítio em torno de um pequeno filamento inserido e a temperatura na superfície do filamento. Uma seção transversal da distribuição de temperaturas em uma bateria de íon-lítio em torno de um pequeno filamento inserido e a temperatura na superfície do filamento.
Uma seção transversal da distribuição de temperaturas em uma bateria de íon-lítio em torno de um pequeno filamento inserido e a temperatura na superfície do filamento.

Modelo Tutorial Atualizado: Capacity Fade

Reações colaterais e processos de degradação podem causar uma série de efeitos indesejados, gerando perda de capacidade em baterias de íon-lítio. Geralmente, o envelhecimento acontece devido a diversos fenômenos complexos e reações que ocorrem simultaneamente em diferentes lugares da bateria, sendo que a taxa de degradação varia entre alguns estágios durante um ciclo de carga, dependendo do potencial, concentração de carga local, temperatura e direção da corrente. Diferentes materiais envelhecem de maneira distinta, e a combinação de diferentes materiais pode resultar em um envelhecimento ainda mais acelerado devido ao “crosstalk”, por exemplo.

Este tutorial demonstra como modelar o envelhecimento no eletrodo de grafite negativo em uma bateria de íon-lítio, onde a reação de formação de uma interface parasítica do tipo solid-electrolyte-interface (SEI) resulta em uma perda irreversível de lítio ciclável. O modelo também inclui o efeito do aumento das perdas de potencial devido à resistência do crescente filme SEI nas partículas dos eletrodos, bem como o efeito de uma fração reduzida no transporte de carga de eletrólitos.

Este modelo tutorial foi atualizado em relação à versão anterior do COMSOL Multiphysics® para incluir dados mais recentes de envelhecimento a partir da literatura científica. Além disso, um fator de escala de tempo foi introduzido para reduzir o tempo da simulação em múltiplos ciclos.

Caminho na Biblioteca de Aplicações para o modelo tutorial Capacity Fade:

Batteries_and_Fuel_Cells_Module/Batteries,_Lithium-Ion/capacity_fade

Tensão da bateria durante uma descarga de 1 C para diferentes números de ciclos de envelhecimento. Tensão da bateria durante uma descarga de 1 C para diferentes números de ciclos de envelhecimento.
Tensão da bateria durante uma descarga de 1 C para diferentes números de ciclos de envelhecimento.