开发一个新颖的电池模型来回答古典化学问题

佛兰德技术研究所(Vito/Energyville)和Ku Leuven的研究人员开发了半固体流量电池的伪三维模型,以找到对其设计问题的可靠答案,例如流速如何影响粒子放电以及细胞电压如何放电过程中的变化。


布莱恩·克里斯托弗(Brianne Christopher)
2020年10月

任何过程,组件或设备的开发都涉及一定程度的反复试验 - 第一次没有什么完美的。当涉及建模方法本身时,同样的情感也适用。以半固体流量电池(SSFB)的建模,这是一种与钒氧化还原流量电池(VRFB)相似的创新类型的流量电池类型,但涉及带有固体颗粒的液体电解质。直到最近,与SSFB有关的文献稀疏。

Kudakwashe Chayambuka目前是Flemish技术研究所能源技术部门(Vito/Energity Ville)的能源技术部门的Grietus Mulder的博士研究员,Vito的高级科学家Xochitl Dominguez,以及Leuven,Leuven,Leuven,Leuven,Leuven,Leuven,Leuven,jochitl Dominguez着手解决SSFB建模中的这一研究差距。

对SSFB系统的早期研究使用了将扩散和对流视为活动颗粒内发生的传输机制的模型。问题?这个假设在身体和概念上都是错误的。Chayambuka说:“当电荷在流动的颗粒内部包含时,这些模型假设对流流动。”弗兰瑟说:“原始模型的方程式不坚持,也不是物理的。”

Chayambuka继续说:“我们试图建模适当的物理学。”在这种情况下,“适当的物理学”是指分子扩散是只要运输机制发生在SSFB的固体活性颗粒内。它们的大量运动与这种分子运输机制无关。该团队开发了一种新颖的方式来对SSFB进行建模,该SSFB可以准确地说明其行为和周围的物理学。

炮台之战

流量电池能够分离(并独立扩展)发电和储能容量。那么,是什么使半固体流量电池如此特别?弗兰萨尔说:“ SSFB非常有趣,很难实现。可以存储的能量量没有限制。”由于其高容量的能量密度,这种类型的电池在许多应用中都是有益的。实际上,它们提供了现有钒氧化还原流量电池(VRFB)的储存容量的10倍。

半固体流量电池的2D图显示了负和正极电极,并在电解质和浆液流上进行缩放,并指示电子从负到正电极的流动。
图1.半固体流量电池的示意图。

当基于与锂离子电池相同的材料时,SSFB在理论上提供了最高的能量密度,但是有一些缺点,包括高成本的成本和增加的毒性风险。用镍金属水合(NIMH)材料制成的SSFB包括氢氧化钾水溶液,以避开这些问题。

无论SSFB的类型如何,都有一个重大的设计挑战要解决:研究人员需要一个电化学模型,该模型准确地描述了设计中发生的动力学和运输过程。这就是研究小组及其新颖的建模方法开始发挥作用的地方。

电池建模:现在在伪3D中

研究人员意识到,要成功地对SSFB进行建模,他们需要能够同时正确考虑宏观和微观域之间的相互作用以及多个物理过程。Dominguez说:“与其他电池相比,SSFB是非常复杂的系统。例如,您需要对浆液的正确粘度。”“要预测发生的事情,您需要对其进行建模。实验将花费太多时间,并且太复杂。”

该小组发现Comsol多物理学188金宝搏优惠®软件提供了他们的研究要求的多物理和多尺度功能。另外,Comsol中可能的准确有效的电化学建模188金宝搏优惠®软件促进了NIMH SSFB系统的优化和扩展。“这样的模拟实际上只有comsol才有可能188金宝搏优惠®,” Mulder说。

除了需要多物理和多尺度建模外,SSFB还提出了另一个独特的建模挑战。由于电池中涉及的活动粒子,该模型需要包括粒子跟踪。但是,由于两项研究不兼容,因此您不能将流体动力学分析与全粒子追踪方法相结合。研究人员以两步方法解决了这个问题。首先,他们在2D中对非循环SSFB系统的电极运动进行了建模(图2)。2D模型充当第一个近似值,他们可以选择优化的参数,例如电解质的浓缩和稀释溶液理论,固体活性颗粒中的材料平衡,电流平衡,反应速率和模型几何形状。

电极电流收集器的特写量,带有箭头,指示流路径和带有深红色的电池的伪3D模型,指示颗粒,然后在离开电池后进入细胞和白色,橙色和黄色,用于细胞内部的颗粒。
图2. SSFB的P3D模型。

接下来,研究人员将2D模型扩展到用于流动SSFB系统的伪3D(P3D)模型。Chayambuka说:“我们想制作一个几乎粒子追踪模型,其中包括在时间域中离散化的物理学;然后停止和求解,更新粒子的位置,然后重新开始以生成适当的结果。”“我们需要P3D几何形状来建模电池的全部流量。”为此,团队确定了单独域中的所有因变量以及相关的变量,这些变量需要在其相应的坐标处以不同几何形式提供。“ Comsol多物理学中的挤出操作员功能188金宝搏优惠®链接2D和3D域变得简单。”他说。挤出耦合功能还使他们能够在模拟中的每个时间步长绘制单独几何形状之间的变量。

使用P3D模型,该团队能够解释SSFB中的流体动力效应,例如电解质在电解质中通过Navier -Stokes方程在不可压缩的牛顿液中以及实心相中的运输,包括氢插入过程由纯扩散建模。该团队使用偏微分方程(PDE)求解了活动粒子内部的时间相关扩散方程。

研究人员还发现Livelink™为了MATLAB®接口产品特别有用。在介绍Livelink™之前为了MATLAB®在他们的建模工作流程中,研究人员没有自动化的P3D流程。这意味着他们必须反复运行模拟,更改粒子位置,然后重新开始。当他们最初启动该项目时,这个过程很好,但是该小组很快发现需要很长时间才能找到所需的结果 - 这种方法也更容易出现错误。当他们后来将Livelink™功能引入其流程时,Chayambuka说:“生成结果变得更加容易,而且我们不必一直都在计算机后面。”

流速,收费和能量输出

通过2D模型的结果,研究人员发现,并非所有SSFB的可用费用都均匀耗尽。实际上,每个粒子排放的程度取决于其位置。P3D模型显示了研究人员电池的流量如何影响颗粒排放,这是分析电池电池动态行为的重要因素。

该小组发现,在高流速下,电池电压大多保持稳定。随着排放电流的增加,初始电压和稳态电压之间的电压差增加。对于低流量,初始状态和稳态阶段之间的电压差异更为明显(图3)。通过了解流速如何影响细胞的动态行为,它们可以针对不同的流速设计SSFB,并预测给定的一组初始条件的稳态。

具有颜色梯度的立方体,比较阴极电流收集器的低流量和高流速,绿色至红色,阳极电流收集器,黑色至红色至白色。
图3. P3D NIMH SSFB模型中低流量率和高流量率SOC分布的比较。

该项目最令人兴奋的方面之一是,这是模型中SSFB的流率行为首次显示。此外,实验性SSFB显示出与Comsol多物理学中发现的瞬态曲线相似188金宝搏优惠®,证明P3D模型对此类研究的有效性。

充电电池研究的未来

通过P3D模型,研究团队展示了一种建模SSFB行为的新方法。通过这种模型,他们能够可视化流体动力和电化学现象之间的关系,从而提供了一种探索不同类型电池设计的新方法。下一步包括在模型材料中引入相变效应,引入非牛顿行为,并使用与电解质相同的流变性行为的碳水悬浮液通过实验验证模拟流场。

Chayambuka说:“我们的希望是将该模型应用于其他类型的流量电池和测试其他化学作用,这将很有趣。”此外,“这种模型可以推断到其他系统,因为它们使用相同的原理。”她给出的一个例子是基于粒子的废水处理系统。

该小组希望通过继续工作,他们将能够实现一个实验系统来验证SSFB模型,这将产生更多的兴趣和资金,以便他们可以研究更多的方式来建模能量损失和优化条件。改进了电池设计,并更好地了解它们的工作方式,可以改善电池制造商如何储存能源并产生动力。



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