在我担任博士生的期间，在距离我的实验室几百码处的建筑物上安装了一块蓝色的“化学地标”牌匾。斑块纪念使锂离子（锂离子）可行的研究人员的成就。您是否知道可充电锂离子电池的电化学，您都可能依靠一个。我们将它们带到手机和笔记本电脑中，并乘坐使用它们的汽车和飞机。提高此类设备的效率和安全性是大型业务，它在于理解其化学作用并将其与实验相关联。法国INES-CEA的Mikael Cugnet使用COMSOL多物理学来促进他的团队对电池实验的理解，考虑到电化学阻抗测量背后的实际效果。
锂的安全功率
锂是一种有吸引力的材料，因为它具有巨大的特定能量能力。您可能还记得从上学时期，锂与水的暴力反应。如果您将这种反应的意愿转化为电化学潜力，则会发现，由于电化学反应而不是其他任何化学物质，因此锂电池的电池会给您带来更高的电压。在原子数3处，也很轻，因此每个单位质量可用很多化学能。但是，通过使用锂离子“插入”的阴极材料，该设计没有在电池中提供高反应性锂金属，而是确保安全性，从而使锂离子存在于另一种材料的化学结构中。
锂离子电池分析：从电路到化学
为了研究和优化电池的化学性能，CUGNET专注于一种称为电化学阻抗光谱（EIS）的实验技术。这种通用和多功能技术用于通过固定的直流电流施加固定的直流，然后叠加细胞上的小正弦电压来解决电化学系统的电阻和电容性能。只要该应用的振荡电压足够小，系统性能保持线性，因此电流响应以与施加电压相同的频率和谐振荡。这些回应是通过电阻抗，科学家用来测量系统的许多特征，例如电化学动力学或物种向电极传递。
正如Cugnet在他的文章中所解释的那样Comsol News 2013，EIS实验的一个缺点是结果与潜在的化学没有明显相关。通常，用“等效电路”描述了细胞的测量行为，其中类比是由理想电阻器和电容器组成的电路的阻抗。但是，必须对电阻和电容进行微调，并且不能完全代表真正的化学作用，例如传质和电化学反应，这会导致这些现象。
通过使用Comsol多物理学模型来通过求解描述电池内部各种物理和化学作用的微分方程系统来预测阻抗，CUGNET可以更好地了解他的实验结果。更重要的是，该模型可以很容易地适应不同的频率或中心电压，从而揭示了在不同电源周期下锂离子电池的化学响应。在各种条件下可视化浓度和当前密度曲线清楚了阻抗光谱以其操作方式的原因，因此有助于理解真实电池系统的可用测量。这种建模方法使CUGNET能够了解其方程式中不同术语能够模仿所调查的电池行为。
使用电化学阻抗光谱（EIS），在Millihertz到Kilohertz范围内的一系列频率测量电池阻抗，并在阻抗图上显示。
宏观与显微镜
在INES-CEA工作中，另一个有趣的挑战是化学相互作用在铁磷酸酯阴极上的复杂性。该材料具有微观结构，因此了解扩散锂进入各个颗粒，CUGNET使用COMSOL多物理学来构建此过程的微观模型。然后，他将这个小型模型与阴极和电解质的宏观模型耦合。这样，局部化学的影响就可以与当前密度的整体分布相关。这种化学细节对于开发电化学设备至关重要，因为提取的功率取决于它。
宏观（左）和微观（右）水平的磷酸铁阴极模型。
这是电化学中分析技术的有趣特殊性，因为您只能测量总电流或总电压，因此通常需要并排模拟以从实验中学习任何东西！但是，实验测量至关重要，以验证模拟。在这种情况下，多物理建模的多功能性使Mikael Cugnet和Ines-CEA在识别复杂的多相化学系统的关键点方面取得了进展。您可以阅读有关锂离子电池模型的完整细节Comsol News 2013，从第44页开始。
进一步阅读
- Comsol News 2013
- “建模锂离子电池”白皮书
评论（2）
艾莉·纳达尔（Elie Nadal）
2018年1月22日亲爱的埃德蒙·狄金森，
我是博士后，目前正在研究微型摄影师的制造和建模。众所周知，在这样的系统中，电荷都存储在电极上，既有pseudocacacacacivity cosites（电荷转移和快速可逆的氧化还原反应），又以电子双层的形式存储。我们有兴趣为标准材料（例如H2S04）作为电解质（RUO2电极）建模这种现象。最后，我们的目标是研究电极几何形状的效果，这意味着我们希望以3D（互插的手指）设置模型。
您是否知道这些物理过程是否可以使用COMSOL建模（使用电池和燃料电池模块），是否可以为此类系统模拟环状伏安图？
此致，
E. Nadal
猫般的Fairclough
2018年1月25日嗨，埃莉，
谢谢你的评论。
是的，您应该在描述的情况下使用电池和燃料电池模块。我们还有一种特定的研究类型用于环状伏安法和一些教程示例，例如：//www.dvdachetez.com/model/cyclic-voltammetry-12849。