在鋰離子電池領(lǐng)域，由于各參數(shù)對(duì)電池性能影響的不確定性，導(dǎo)致了實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)具有一定的盲目性。傳統(tǒng)的窮舉法確定參數(shù)具有任務(wù)繁重、效率低下等缺點(diǎn)，并且難以解決理論問(wèn)題。

隨著仿真技術(shù)的發(fā)展，仿真模擬技術(shù)被運(yùn)用到了越來(lái)越多的科研領(lǐng)域的研發(fā)之中。作為實(shí)驗(yàn)的補(bǔ)充工具，COMSOLMultiphysics可以：

（1）在實(shí)驗(yàn)之前通過(guò)電池建模對(duì)各個(gè)實(shí)驗(yàn)方法進(jìn)行模擬，預(yù)估實(shí)驗(yàn)結(jié)果，縮小參數(shù)范圍，提高工作效率。

（2）模擬電池工作過(guò)程中內(nèi)部電化學(xué)過(guò)程，有助于研究人員研究電池內(nèi)部過(guò)程。通過(guò)對(duì)電池模型的簡(jiǎn)化、仿真和分析，更加有效地管理電池工作狀態(tài)。

（3）與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)合，使得文章內(nèi)容具有說(shuō)服力、預(yù)見(jiàn)性、新穎性，能夠發(fā)表到領(lǐng)域中的高級(jí)期刊。

過(guò)針刺 低溫防爆18650 2200mah

符合Exic IIB T4 Gc防爆標(biāo)準(zhǔn)

充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%

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目前鋰離子電池的熱管理、極化現(xiàn)象、SEI膜的穩(wěn)定性以及電極/電解質(zhì)界面問(wèn)題等五個(gè)研究熱點(diǎn)都可以通過(guò)COMSOLMultiphysics進(jìn)行仿真模擬。

1.COMSOLMultiphysics在電池?zé)峁芾碇械膽?yīng)用

隨著動(dòng)力設(shè)備的不斷升級(jí)，電池開(kāi)始逐步往大尺寸和模塊化方向發(fā)展，電池產(chǎn)熱問(wèn)題日益突出，電池?zé)峁芾硪渤蔀殡姵仡I(lǐng)域目前研究的重點(diǎn)之一。在充電和放電過(guò)程中，電池內(nèi)部出現(xiàn)熱量，假如不及時(shí)散掉，會(huì)使溫度上升，超過(guò)鋰離子電池的正常工作范圍：（安全溫度范圍），會(huì)影響電池的工作狀況、循環(huán)效率、容量、功率等性能，進(jìn)而會(huì)影響設(shè)備的可靠性、安全性和壽命等。建立鋰離子電池?zé)崮Ｐ褪茄芯夸囯x子電池溫度分布和變化情況的基本方法，通過(guò)研究電池的熱效應(yīng)，優(yōu)化電池結(jié)構(gòu)，提高電池的安全特性。

COMSOLMultiphysics供應(yīng)了充足的物理場(chǎng)接口，通過(guò)耦合鋰離子電池接口與傳熱接口，可以幫助用戶研究鋰離子電池?zé)嵝?yīng)。軟件具有簡(jiǎn)單明了的邊界條件設(shè)置界面，用戶容易上手。同時(shí)也具有清晰的可視化界面，可以很直觀地觀察鋰離子電池內(nèi)的溫度分布，如下圖1所示：

上圖模型顯示了在相同放電倍率條件下，對(duì)流散熱時(shí)，外部換熱系數(shù)越高，電池溫度越低，可以幫助我們?cè)谠O(shè)計(jì)外部散熱器時(shí)，根據(jù)換熱系數(shù)，設(shè)計(jì)散熱器的尺寸形狀。同時(shí)顯示了放電倍率越大，電池溫度越高，重要是由于大倍率放電時(shí)候，副反應(yīng)越多，電池內(nèi)阻增大，歐姆熱和副反應(yīng)熱同時(shí)增大，導(dǎo)致了電池?zé)嵝?yīng)明顯，這要不斷去優(yōu)化電池結(jié)構(gòu)與處理電池材料，減少電池副反應(yīng)發(fā)生。同時(shí)也顯示了，電解液濃度分布在絕熱條件下比等溫條件下平坦，說(shuō)明絕熱條件下電解液的擴(kuò)散性能優(yōu)于等溫條件下電解液的擴(kuò)散性能，為研究鋰離子電池供應(yīng)了新的思路與方向。

無(wú)人船智能鋰電池

IP67防水，充放電分口 安全可靠

標(biāo)稱電壓：28.8V
標(biāo)稱容量：34.3Ah
電池尺寸：(92.75±0.5)* (211±0.3)* (281±0.3)mm
應(yīng)用領(lǐng)域：勘探測(cè)繪、無(wú)人設(shè)備

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2.COMSOLMultiphysics在電池容量衰減中的應(yīng)用

在鋰離子電池中，除了鋰離子脫嵌時(shí)發(fā)生的氧化還原反應(yīng)外，還存在著大量的副反應(yīng)，比如電解液分解、活性物質(zhì)溶解、金屬鋰沉積等。副反應(yīng)和退化過(guò)程可能導(dǎo)致各種不良效應(yīng)，這種不良效應(yīng)是不可逆的，會(huì)造成電池容量的損失。通常，電池由于不同位置同時(shí)發(fā)生的多個(gè)復(fù)雜現(xiàn)象和反應(yīng)而出現(xiàn)老化，在負(fù)載循環(huán)中，電池所處的階段不同，其退化程度是不同的，具體取決于電位、局部濃度、溫度以及電流的方向。電池的材料不同，其老化程度也不同，不同的材料的組合（例如電極材料的交叉效應(yīng)）可能會(huì)進(jìn)一步加速老化。COMSOLMultiphysics可以幫助研究人員建立電池老化模型，對(duì)導(dǎo)致電池老化現(xiàn)象的各種因素進(jìn)行定量分析，可以清楚地了解電池老化原因，確立研究目標(biāo)，并對(duì)重要問(wèn)題，集中攻克，提高科研效率，加速鋰離子電池的發(fā)展過(guò)程。

上圖模型可以看出隨著鋰離子電池循環(huán)次數(shù)增多以及放電倍率增大，電池容量逐漸發(fā)生衰減。尤其是當(dāng)放電倍率超過(guò)1C時(shí)，放電容量顯著衰減。4C時(shí)，電池電壓達(dá)到3V前，電池大約只有50%的理論容量。大量研究證明電池副反應(yīng)使得SEI膜逐漸增厚是電池容量發(fā)生衰減的重要原因，因此，我們也可以利用COMSOLMultiphysic研究SEI膜隨時(shí)間變化的關(guān)系，研究SEI膜形成機(jī)理，增強(qiáng)SEI膜的穩(wěn)定性，降低負(fù)電極/電解質(zhì)界面阻抗。

3.COMSOLMultiphysics在分析電池短路中的應(yīng)用

電池在充電過(guò)程中形成鋰枝晶，刺穿電池隔膜，導(dǎo)致電池內(nèi)部短路,或者受到外部機(jī)械刺穿，導(dǎo)致電池短路。長(zhǎng)時(shí)間的內(nèi)部短路會(huì)導(dǎo)致電池自放電以及局部溫度上升。假如溫度超過(guò)一定值，電解質(zhì)可能會(huì)由于熱反應(yīng)開(kāi)始分解，導(dǎo)致熱失控，降低電池循環(huán)性能的同時(shí)也使得電池具有安全隱患?？梢岳肅OMSOLMultiphysics對(duì)電池短路導(dǎo)致熱失控問(wèn)題進(jìn)行建模分析，

4.COMSOLMultiphysics在分析電池電化學(xué)阻抗譜中的應(yīng)用

電化學(xué)阻抗譜（EIS）是研究電極/電解質(zhì)界面發(fā)生的電化學(xué)過(guò)程的最有力的工具之一，廣泛應(yīng)用于研究鋰離子在鋰離子電池嵌合物電極活性材料的嵌入和脫出過(guò)程。在電池電極上施加一個(gè)頻率變化的電位擾動(dòng)，通過(guò)阻抗響應(yīng)可以深入了解電池的多種屬性和過(guò)程：在高頻下，電容、電化學(xué)反應(yīng)和局部電阻等時(shí)間尺度較短的過(guò)程會(huì)影響阻抗。另一方面，在低頻下，電解質(zhì)和活性材料的擴(kuò)散也會(huì)影響阻抗?？梢岳肅OMSOLMultiphysics分析嵌合物電極的EIS特點(diǎn)，探討EIS譜中個(gè)時(shí)間常數(shù)的歸屬問(wèn)題，重點(diǎn)討論鋰離子在正負(fù)極活性物質(zhì)嵌入和脫出過(guò)程中相關(guān)動(dòng)力學(xué)參數(shù)，如電荷傳遞電阻、活性材料的電子電阻、擴(kuò)散以及鋰離子擴(kuò)散遷移通過(guò)SEI膜的電阻等對(duì)電極極化電位和溫度的依賴關(guān)系。如圖10-11所示：

5.COMSOLMultiphysics在分析電池電極材料比例中的應(yīng)用

為了提高電池電極材料的穩(wěn)定性，通常正負(fù)極都包含多種插層材料，尤其是正極材料,通常為多種材料的混合物，例如過(guò)渡金屬氧化物、多層氧化物和橄欖石等。這些材料可以具有不同的設(shè)計(jì)屬性（如體積分?jǐn)?shù)和粒子大?。?、熱力學(xué)屬性（如平衡點(diǎn)位和最大鋰離子濃度）、傳遞屬性（如固體擴(kuò)散系數(shù)）以及動(dòng)力學(xué)屬性（如插層反應(yīng)速率常數(shù)）。不同的材料配比會(huì)對(duì)電池的整體性能造成很大的影響，假如利用實(shí)驗(yàn)去不斷找出最佳比例，工作量大，效率不高。利用COMSOLMultiphysics通過(guò)電池建模，分析不同材料配比，可以降低工作量，從而降低實(shí)驗(yàn)參數(shù)的研究范圍，節(jié)省了人力物力。如圖12-13所示：

總結(jié)

隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，鋰離子電池研究不再盲目依賴于實(shí)驗(yàn)研究，而是先利用軟件對(duì)電池進(jìn)行建模，通過(guò)電化學(xué)仿真對(duì)電池進(jìn)行各方面性能的預(yù)測(cè)，再制定詳細(xì)的實(shí)驗(yàn)方法，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。目前，最新發(fā)行的COMSOLMultiphysics5.4版本新添加了電池等效電路模塊、集總電池模塊，可以使用戶根據(jù)工作要更加方便的建立自己的模型。同時(shí)還具有數(shù)學(xué)模塊，使得在現(xiàn)有物理接口無(wú)法滿足建模需求時(shí)，用戶可以根據(jù)建模需求靈活地使用數(shù)學(xué)接口，建立更精確的模型。我們相信，隨著仿真軟件的逐步優(yōu)化，在未來(lái)會(huì)有越來(lái)越多研究人員利用COMSOLMultiphysics等有限元仿真軟件對(duì)電池機(jī)理進(jìn)行研究。在發(fā)表文章時(shí)，用戶可以利用軟件分析數(shù)據(jù)豐富文章內(nèi)容，使文章整體內(nèi)容充實(shí)漂亮，框架邏輯清晰明了，幫助研究人員將文章發(fā)表到領(lǐng)域高級(jí)期刊，同時(shí)提高文章的影響因子。