在本文章，我们我们讨论如何建立化学和电池模型模型的的一般过程过程，并过程过程
柠檬电池简介
化学学校中的一个经典实验。一个柠檬一一块块铜铜铜（（例如例如例如例如例如例如例如例如例如例如例如（（几分钟电池，众所周知，众所周知，这电池适用性受到限制，因为限制限制限制限制限制受到限制限制限制限制限制限制限制限制的的功率功率只只有几几毫瓦瓦瓦（（（（
带有个的柠檬（左：铜；：锌）
建模目标
建模之前，建模应该：我们第一：我们我们项目项目的的建模建模目标目标是是什么什么？这这微不足道微不足道微不足道微不足道
对于本示例示例，我们将解决：：柠檬电池的功率受到限制，如何限制，如何改进？？
换说，就是希望把把个设计设计工具工具工具工具工具工具工具工具工具工具工具设计设计设计设计电池电池功率功率提高到提高提高以上以上。而其他的建模建模建模是体积
功率与上的电压电流直接相关。这意味着的模型模型需要需要包括包括包括包括电池电池电池中电压源压源压源和和引起引起电压电压主要来源来源来源来源来源来源（）的，传输，时间也是，这这我们需要瞬态。。。
我们什么来功率？有时难难难难知道，（（（（是改变电极的几何结构。
综上可，我们我们定义个与时间和空间的模型。
化学物质和反应
现在，我们我们要模型中添加化学和。。
300 mm = 0.3 mol/l）（3 mol）（3 mm）（3毫米）组成弱酸，，ph ph值在在左右左右（对应质子质子浓度浓度浓度浓度为为为为。。。电解液中其他离子的混合，最主要的阳离子是钾（35 mM）和钙（7 mM）。在插入电极之前，柠檬中已经存在痕量的锌（9μM）和铜（6μM）离子。除此之外，因为存在大量阴离子（（（））与，所以，所以所以电解液是呈现电
鉴于两电极由铜和锌，并且组成组成会会溶解溶解
接下来，我们我们柠檬的信息使用使用能斯特方程计算指定下平衡电位，e等式。电极用双向箭头，表明箭头箭头可逆可逆的的，并且的
由于电解液是含水的，而而整柠檬均匀均匀发生发生自电离作用，因此存在质子和氢氧根离子：
但是，ph ph值酸性的，我们我们氢氧根浓度忽略不计。。
在体系中，可能会金属。但是但是，查阅锌查阅锌但是但是Pourbaix图可以发现，ph值低，不不可能柠檬形成。。。
电解液是的，这意味由于电势的存在，氧和氢都可能电极上或：：
这两都在两发生发生发生，尽管尽管通常通常假设铜电电极上上的。
在中，我们清单中清单发现钾钙标准溶出电位远低于低于锌锌和和和铜溶出电位电位电位电位电位电位电位电位电位电位，这这这这这这这这意味它们它们不会会氧气，因此因此模型中可以。。
多离子存在与混合电结合结合结合，导致的结合结合结合结合相当相当相当相当复杂的的的金属金属金属沉积副反应副反应副反应副反应系统，特别是在电极这可能会改变该性能，例如，例如性能，例如沉积性能性能性能的的的铜铜可能可能可能可能会会会显着显着增加增加析氢析氢析氢的的活性活性活性。。。一一点在其的电极上。。
（（（）分子分子和和复杂复杂复杂复杂（（（），我们其他，等等等等），我们我们予以。。。
电解液传输
现在，我们我们电解液中传输。。
首先，我们确定中的模型模型，因为因为模型电位和金属电位的电位
由知，大量的（+，Cl-（等）不不反应，这这允许进行进行支持电解质假设，即即电导率不随着电极反应。。。因此因此因此因此因此因此因此因此，0.35 s/m）
参与电极的包括包括2+，Zn2+，H+，H2和o2，因此需要中以某方式这些的浓度（。）
Zn（s）和cu（s）的的常数常数常数常数常数常数我们还电极的不会由于金属金属。。。
55.5 m（55.5 m）相比相比浓度，我们低低低假设被稀释了。这我们假设电解质仅溶剂的水分子相互。。
使用稀溶，可以，可以使用内斯特 - 普朗克（-普朗克-普朗克）方程定义定义2+cu2+的，这里这里需要每个一个/迁移率迁移率。
（（（（由于血酸血酸））具有ph ph缓冲能力参与电极反应，因此反应反应ph（值恒定氢浓度）。
（（（等等））可能氧气氧气氧气，，，可能可能可能可能可能溶解并扩散扩散扩散到中。这里这里这里这里这里这里这里这里这里这里这里这里这里这里我们我们我们除氧气以外处于平衡，它可以扩散到，在电极，在被还原。氧扩散内斯特 - 普朗克（（（（））（（（））。的的的的
对的过程建模有些困难。还原还原还原还原还原氧化反应处于处于本反应系统系统系统系统的的中间值中间值中间值中间值中间值中间值中间值系统系统系统系统系统系统系统的这这这这这意味着着该该反应可以沿气泡，则建模复杂化，（（（（（）））（1）（1），我们氢活度活度形成形成形成活度活度活度活度，并且形成形成形成任何形成形成的气体在被氧化之前会会排出排出排出排出（（（（不可逆析氢））来来。（（（（（（（（（极过极过极过极过极过极过极过极过极过极过，将极过电位，将将速率速率速率速率速率速率速率速率速率速率速率速率速率速率速率速率速率速率速率速率速率速率速率速率还原还原还原还原还原（（（（
系统边界和选择
当时时，由于由于金属金属果肉高电导率电导率电导率电导率电导率，因此高的，因此因此只要将将的的电位电位建模建模为为边界边界就足够足够了了。。。结合中的（（（）中柠檬中中发生物理现象以及上的反应决定决定决定。，我们因此因此因此。。
在模型几何时，考虑到，我们对称性将柠檬一半以节省资源。。
考虑电极对称性和后的计算域。
：我们我们尽可能维度维度，因为维度维度维度可以节省开发开发计算时间时间。实际柠檬柠檬柠檬柠檬柠檬柠檬柠檬柠檬柠檬我们我们放置电极电极三维但是但是但是但是但是但是但是但是。。示例示例示例中，仍中中，仍仍仍建议以以较小小的项目项目项目项目项目项目项目适合首先中，模拟中建模电解中平面电极极极，但是电极极极
在comsol多物理学®中模拟柠檬电池
我们使用comsol多物理学中中的三次分布，支持支持解质解质接口进行建模，下文下文了建模结果。使用使用恒定恒定定义定义电荷传输传输传输传输传输传输基于nernst方程方程平衡电位。
此处：大多数值，尤其是，尤其是参数，仅，仅
在模拟中，使用的负载循环包括：在初始条件（柠檬营养成分列表值）下搁置 1 min，然后在 0.5 mA 的负载下放电 1 min 分钟，再搁置 1 min。
解释电池期间的电压曲线
下图显示仿真的电压和。。
电压和电流。
最初，当电极中时，似乎时，似乎某种弛豫弛豫，电池种弛豫弛豫弛豫种种缓慢缓慢升高升高升高升高升高至至至至至至至至至至至至至至至在在在在在在在在在在在在在在在t = 1min时在在电压。注意，2分钟后电流后电流会有种。。。
将电池电流，还还绘制电池功率输出。。
电池输出的。
由可知可知，负载接通几几钟钟钟，0.3mw降低0.06mw，这这，这这与电压电压大幅大幅大幅
当有时时时时，0.75v大约大约大约大约。如此下降下降（对于对于电化学家而言言言言言言言言言言言言言言言言言言言言言言言言电化学家对于对于言言言言言言意味意味意味意味意味什么什么什么？关系：：
she的的关系：She-标准标准极极极
到到，静止电池的升高，似乎初始升高升高升高升高发生的的的现象现象有关
下图中铜钉表面平均氧气浓度时间关系揭示了这一现象。
铜电上的平均。。
当接通，铜电上零，并零零零扩散不电池也就是说，我们说说高于还原极限电流的的条件
通过绘制不同电极反应的的的，可以积分积分，可以进一步解释。。
正极的电流密度积分。
仔细搁置的电流电流电流：铜：铜铜速度速度（小的的电流电流电流电流电流电流电流电流电流电流电流电流电流与氧与氧小小小小小负电流）在的不氢逸出。。是由于析氢的电位低于低于此时的的混合混合混合混合电电电电位极极极，其极极混合混合混合混合混合混合混合混合混合混合混合混合混合混合混合混合混合混合混合，（（（在述）我们我们都都不不不会会假定假定假定柠檬柠檬柠檬
我们后后后看到还原激增激增激增激增激增激增激增激增激增激增激增而而回落回落。由于由于由于我们我们操作操作操作电池方式方式方式方式方式方式方式方式氧气用尽，电位下降，直到达电极电极电位离子供应，氢析出的比氧的电几个级。还还还注意
因此，我们从搁置下溶解 -氧 -氧氧氧控制的电极电位过渡到接通接通接通负载负载负载负载时时时时时时析氢析氢控制控制的的的的电极电极电极电极电极。。从搁置搁置时约约约约约约约约约约约约约约约约约约约约约约约约约约约约约约约约约约约约约约约约约约约约约约约约约约约约约约约vs.她的电位电位
负极自放电和容量
下图显示负极各电极反应的电流密度积分。
负极上局部电流密度。。
氧气上，氧气和氢气都都锌在状态下溶解（（（最初的的的弛豫弛豫现象现象与与所有这些这些反应相互作用有关有关
在期间，锌的，以，0.5 ma的电池，此外电流，此外此外要加上电流
锌表明，我们表明表明中中锌的质量质量了了电池的容量容量容量容量。。在在在，水正极正极正极正极正极水水水水水水水的自离离离作用作用将将为我们提供提供无限量无限量无限量无限量无限量无限量无限量无限量电池能够时长将负载和自反应的的作用作用。
评估电压损失
在期间期间
- 电解液中的压降
- 驱动锌负极上的活化过电位
- （（（（））的的的过电位
首先，我们我们负载脉冲负载脉冲秒秒电解液中欧姆。。
进入30秒，电解液的欧姆欧姆（（（。。。。。。。
40 mv的降明显，但但。。。
接下来，我们我们在负极溶解氢气正极上的局部。。。
（30s后，氢左）（（氢）和溶解（（（溶解溶解过电位（（（（（（（（。。。流线描绘描绘了沿沿对
30s，总计总计中负载脉在在电位过过过过过电位在在负载脉负载脉冲冲中持续持续持续中中持续持续持续持续持续总计总计总计总计总计总计总计总计约约约约约了了了了了了了。。。
提高功率输出
现在，我们返回的建模目标，查看建模目标提高电池的功率。
在更改电情况下下，很很下改善改善锌极极上上固有固有的的的学学学学学学动力动力动力动力的的的的的的以及以及以及以及以及以及以及以及以及以及以及以及以及以及以及以及以及对对对对对对来改善这样做的是，所有原因原因原因原因都必须每个个电极上上上的的的的的电极电极电极电极电解电解液界面液界面液界面液界面液界面液界面液界面，并且液界面液界面液界面液界面电极电极电极电极电极电极电极反应用，减小减小每电极的局部电流密度
由于柠檬可用空间空间空间空间空间空间空间空间因此因此因此区域（（或只更（（相关。
可以欧姆压降压降，电池压降电池会会稍微。此此目的目的一一一一种种方法方法方法是简单地地将将将电极电极电极。。沉积铜影响影响影响可能会锌降低。但是但是但是但是，我们我们但是
还有是，如果如果通过种利用铜电极上上的氧氧还原而而不不是是是析氢析氢反应反应反应反应反应放出放出放出放出放出放出放出放出放出放出参见上图），则可以性能一的将将铜极极放置在更靠近靠近柠檬表面的的位置，以位置位置位置位置
根据上面结果，我们我们以下电池的功率优化设计。
功率优化的柠檬电池。。
在中，我们用硬币铜钉，还铜钉铜钉铜钉铜钉铜钉铜钉多个电电极极（（（柠檬柠檬柠檬的的的每每每个楔形楔形对对对对对电极电极电极电极电极电极电极电极电极电极电极电极电极电极电极电极电极电极电极电极电极电极电极电极电极电极电极电极电极电极电极电极电极电极电极电极电极电极电极电极电极电极电极电极电极电极电极电极电极电极电极电极电极电极电极电极电极电极电极电极电极电极）需要相当灵活手指。
引入多电极增加电极总表面积，应该总表总表总表更高的的总电流电流运行运行运行电池（（（上上上上上上上上上上上上运行运行运行运行运行运行运行运行运行运行运行运行运行运行运行运行运行运行运行运行运行运行运行运行运行运行运行运行运行运行运行运行运行运行运行电池电池电池电池电池电池电池电池电池电池电池行行行行行行行行行行行行行行行行行行行行行行行行行行行行行行行行行行行行行行行行行行行行行行行行行行行行行行行行行行行行行行行行行更重要，还还位于柠檬的极表面数量数量
运行新模型的仿真，当当总总总电流电流电流电流电流电流电流电流电流电流（（（个楔形楔形区域区域区域区域区域区域区域区域区域区域区域区域区域区域区域区域区域区域区域区域区域区域楔形楔形楔形（（（时时时时时时时时时时时时时
新设计的电压和。。
相应的结果表明表明，现在现在能够能够在高于高于高于高于高于的的功率水平上上运行：
新设计电池功率。
使功率一主要主要的是使用多极极极极极极极极极极极极电电电电电电极电极电极电位电位电位电位电位图，我们图表明表明表明极极极极极极极极极极极极极极
对于新，电电电极电位与与的的的
再次检查上氧浓度，我们的在任何时候没有将电极上上
新设计铜电上的平均氧。。
相应地，正反应的表明，负载曲线表明主要电极反应氧。
然而然而然而都时间连续下降进一步方法的疏水性多孔气体气体气体扩散介质介质介质介质介质介质介质介质介质以以以促进氧气氧气在在表面表面和和极极极极〜5个数量数量数量数量数量显着氧气的。如何执行操作的的详细详细信息信息信息信息非常非常适合使用使用模型来探索。也许也许也许也许但是，铂金铂金很难。。
如今，人们发明以种柠檬电池，它，它称为，但空气空气
后续操作
对电建模其他示例感兴趣吗？单击下面的按钮案例库”中探索多电化学。。
评论（0）