Batteries & Fuel Cells Module

Software Para Simulações de Operações e Projetos de Baterias e Células a Combustível

Batteries & Fuel Cells Module

Perfil térmico em um pack de baterias de íons de Lítio cilíndrica resfriada a ar. O modelo térmico está acoplado a reações eletroquímicas e escoamento iônico, que funciona como fonte de calor.

Baterias e Células a Combustível: Maiores Densidades de Energia, Tempos de Vida Mais Longos

Hoje, exige-se que as baterias e células a combustível atuem em ambientes cada vez mais desafiadores, com maiores densidades de energia ou eficiências energéticas, por tempos de vida mais longos. Essas necessidades estão colocando mais pressão sobre a indústria, e a modelagem e simulação estão se tornando rapidamente uma das ferramentas necessárias para desenvolver, projetar, otimizar e garantir a qualidade e a segurança das baterias e células a combustível durante a operação. Exemplos de sistemas que podem ser estudados incluem baterias chumbo-ácidas, baterias de íons de Lítio, baterias de hidreto metálico de níquel, células à combustível de óxido sólido (SOFCS), células a combustível de metanol direto (DMFCs) e células à combustível com membrana de troca de prótons (PEMFCs).

O Batteries & Fuel Cells Module modela o comportamento eletroquímico nos eletrodos e eletrólitos de baterias e células a combustível. Isso permite que se avalie o desempenho em distintas configurações de projeto, condições de operação e deterioração devido a diferentes mecanismos de envelhecimento. Com esse módulo complementar, pode-se simular características como o transporte de espécies carregadas e neutras, a condução de corrente, o escoamento, a transferência de calor, as forças motrizes e a natureza das reações eletroquímicas em eletrodos planos e porosos. Usando o entendimento dessas características, é possível projetar e otimizar as geometrias e opções de material dos eletrodos, separadores, membranas, eletrólito e coletores e alimentadores de corrente do seu sistema com vistas ao desempenho, ao gerenciamento térmico e à segurança.


Imagens adicionais:

  • Campo de temperatura em um módulo de bateria de íons de Lítio para aplicações automotivas. Ilustram-se aqui as isosuperfícies de temperatura e perfil de temperatura no escoamento nos canais de resfriamento. Campo de temperatura em um módulo de bateria de íons de Lítio para aplicações automotivas. Ilustram-se aqui as isosuperfícies de temperatura e perfil de temperatura no escoamento nos canais de resfriamento.
  • Distribuições da concentração de oxigênio e combustível nos canais e nos eletrodos de difusão gasosa de uma célula a combustível com membrana de troca de prótons (PEMFC). Distribuições da concentração de oxigênio e combustível nos canais e nos eletrodos de difusão gasosa de uma célula a combustível com membrana de troca de prótons (PEMFC).
  • Escoamento e queda de pressão através de um empilhamento de células a combustível. Escoamento e queda de pressão através de um empilhamento de células a combustível.
  • Concentração de sal no eletrólito durante uma descarga a 20°C em uma bateria chumbo-ácido. Concentração de sal no eletrólito durante uma descarga a 20°C em uma bateria chumbo-ácido.
  • O recurso de Material Intercalado da interface Lithium-Ion Battery é usado aqui para descrever dois materiais diferentes intercalados no eletrodo negativo. O desempenho da bateria durante a descarga para diferentes frações de mistura dos dois materiais intercalados no eletrodo negativo é estudado. O recurso de Material Intercalado da interface Lithium-Ion Battery é usado aqui para descrever dois materiais diferentes intercalados no eletrodo negativo. O desempenho da bateria durante a descarga para diferentes frações de mistura dos dois materiais intercalados no eletrodo negativo é estudado.
  • Estudo de Espectroscopia de Impedância Eletroquímica (EIS) de uma célula a combustível de óxido sólido (SOFC) totalmente modelada em 3D. As curvas aumentam à medida que aumenta a diferença entre as duas densidades de corrente de troca. Estudo de Espectroscopia de Impedância Eletroquímica (EIS) de uma célula a combustível de óxido sólido (SOFC) totalmente modelada em 3D. As curvas aumentam à medida que aumenta a diferença entre as duas densidades de corrente de troca.

Aumentando a Complexidade em Modelos de Baterias e Células a Combustível

Começando simples

Caso se inicie um modelo do zero para um novo projeto, ou mesmo para uma bateria ou célula a combustível que já tenha sido implantada em uma aplicação, pode-se começar simples e, então, adicionar complexidade gradativamente à modelagem. Normalmente, isso implica em investigar as características do dispositivo por um modelo de distribuição de corrente primária. Isso simplifica a reação eletroquímica, o eletrólito e outros componentes descrevendo-os como condutores com resistências, usando a lei de Ohm. Modelos de distribuição de corrente primária oferecem muita informação sobre a geometria do dispositivo e podem ser indicativos sobre o gerenciamento térmico e, até mesmo, sobre a integridade estrutural em razão das expansões térmicas.

O Batteries & Fuel Cells Module contém interfaces específicas dentro da interface gráfica do usuário (GUI) COMSOL Desktop® para um grande número de formulações físicas. A interface Primary Current Distribution contém campos adequados para especificar as propriedades dos materiais, como a condutividade dos eletrodos e eletrólito, para todos os diferentes componentes em um projeto de bateria ou célula de combustível. Além disso, ela se acopla facilmente às interfaces físicas que descrevem outras características, como aquecimento por efeito Joule ou análise de tensões térmicas, que podem existir dentro do Batteries & Fuel Cells Module, COMSOL Multiphysics, ou qualquer um dos outros módulos.

Investigue as Características Eletroquímicas de um Sistema

Aumentando a complexidade da investigação, as características cinéticas das reações eletroquímicas dependem altamente da microestrutura dos eletrodos, do material eletrocatalítico e da composição do eletrólito. Há pouquíssimos bancos de dados de material à disposição que listam os parâmetros cinéticos das reações eletroquímicas, logo, os eletroquímicos fazem experimentos para descobrir parâmetros específicos para seus dispositivos. Ainda assim, fazer experimentos detalhados e controlados dentro de sistemas fechados como são as baterias e células a combustível é complicado, em especial com o número de diferentes parâmetros físicos que podem influir no processo eletroquímico. Para obter descrições precisas para esses parâmetros cinéticos, geralmente precisa-se comparar experimentos com modelos do mesmo processo experimental e, então, se concentrar nos valores reais para esses parâmetros. O Batteries & Fuel Cells Module possui interfaces físicas que simulam esses experimentos, como a voltametria cíclica e a espectroscopia de impedância eletroquímica (Impedância EIS ou de CA), e ferramentas para importar dados, representá-los graficamente e, até mesmo, estimar parâmetros sobre eles (requer o Optimization Module)

Depois de estabelecer a cinética eletroquímica, pode-se envolvê-la em investigações de baterias e células a combustível através de modelos de distribuição de corrente secundária. Nesses modelos, as reações eletroquímicas são afetadas diretamente pelo mecanismo de transferência de carga e pelos sobrepotenciais de ativação. Esses modelos proporcionam uma melhor indicação das tensões elétricas e correntes operacionais do sistema e são úteis na hora de decidir o material dos eletrodos e eletrocatalisadores, ao mesmo tempo em que permitem incluir perdas por sobrepotencial de ativação dentro de qualquer estudo térmico que se venha a fazer.

A interface de Secondary Current Distribution pode ser totalmente acoplada às interfaces de Transporte de Espécies Químicas que descrevem o transporte de espécies nos poros gasosos, em eletrodos de difusão gasosa (GDEs), por exemplo. Na descrição dos GDEs, o transporte de gases dissolvidos no eletrólito poroso e seu transporte aos sítios ativos podem considerados usando modelos aglomerados ou modelos em filme fino. O transporte de gás nos poros, então, também é acoplado ao transporte e ao escoamento no canal gasoso, por exemplo, em placas bipolares de células a combustível.

Reações homogêneas podem ser levadas em conta usando expressões cinéticas na interface Mass Transfer, no Batteries & Fuel Cells Module, onde podem ser definidos termos de dissipador e fonte arbitrários. Como alternativa, eles podem ser definidos nas interfaces físicas no Chemical Reaction Engineering Module e acoplados aos modelos de baterias ou células a combustível.

Obtenha um Panorama Geral de Todo o Processo

Ainda assim, os tipos de modelo anteriores consideram que a concentração é constante em todo o eletrólito e que o transporte de corrente só ocorre por migração iônica, o que não é verdade. Um dos importantes fatores que norteiam uma reação eletroquímica é a composição do eletrólito nos arredores dos sítios de reação. Para investigar, de fato, as características eletroquímicas de baterias e células a combustível, um estudo da distribuição terciária pode ser necessário. Esse estudo leva em conta a variação na concentração e inclui uma boa descrição dos balanços das espécies e do transporte no eletrólito.

Ainda com referência à distribuição de correntes terciárias, as composições dos eletrólitos e eletrólitos porosos podem ser totalmente acopladas aos balanços de espécies na fase gasosa e nos poros gasosos em eletrodos porosos e GDEs. Essas descrições também podem incluir o transporte de espécies através do eletrólito poroso usando modelos aglomerados e em filme fino. No caso de baterias, também são incorporadas equações de intercalação específicas para levar em conta o transporte nas partículas do eletrodo.

Os materiais nos separadores e eletrodos também podem reagir em reações homogêneas, resultando na deterioração do desempenho. As interfaces de Transporte de Espécies Químicas permitem modelar as reações químicas desses materiais para estimar o efeito que o envelhecimento dos materiais de uma célula pode ter sobre o desempenho de baterias e células a combustível.

A condução de corrente elétrica nos eletrodos e nos coletores de corrente é descrita usando a lei de Ohm junto com as equações para conservação de corrente. Isso leva em conta as perdas resistivas em condutores eletrônicos, como coletores e alimentadores de corrente, eletrodos, eletrodos porosos e GDEs. Os coletores e alimentadores de corrente também podem ser modelados usando camadas condutoras finas, também chamadas de cascas, a fim de evitar a geração de malha ao longo da espessura. Os balanços de corrente nos condutores elétricos também podem ser acoplados aos balanços de corrente no eletrólito e eletrólito poroso através das reações de transferência de carga usando as interfaces de eletrodos dedicadas.

Integre Modelos de Bateria e Célula a Combustível a Outras Físicas

Os Modelos desenvolvidos no Batteries and Fuel Cells Module também podem ser integrados a interfaces físicas em qualquer um dos outros módulos no Conjunto de Produtos COMSOL. Com essa integração, pode-se descobrir informações essenciais sobre a concepção e a operação de coletores e alimentadores de corrente, sistemas de resfriamento, a otimização de eletrodos, separadores e membranas e o gerenciamento térmico com relação ao desempenho e à deterioração de componentes devido ao envelhecimento.

Interfaces de Escoamento do CFD Module ou do Heat Transfer Module, que suportam a simulação de escoamentos turbulentos, podem ser usadas na modelagem dos sistemas de aquecimento e de resfriamento de baterias de íons de Lítio ou de células a combustível de temperatura elevada, como MCFC e SOFC. Elas também podem necessitar da formulação para a radiação de superfície para superfície, que é suportada pelo Heat Transfer Module. A estimativa de parâmetros através de simulações de espectroscopia de impedância eletroquímica (espectroscopia de impedância EIS ou CA), voltametria, interrupção de corrente e por meio de experimentos pode ser realizada em conjunto com o Optimization Module. Um acoplamento interessante para modelar o envelhecimento de eletrodos é a inclusão das tensões estruturais induzidas por mudanças na densidade durante a carga e descarga nos eletrodos. Essas tensões podem ser usadas para estimar a extensão de micro-fraturas nas partículas do eletrodo, que resultam em perda de condutividade elétrica, que deteriora o desempenho do mesmo.

Interfaces Físicas para Simular todas as Variedades de Comportamento Eletroquímico

O Batteries & Fuel Cells Module pode ser usado para modelar todos os tipos de células a combustível e baterias com os recursos mais robustos para simular todas as variedades de comportamento eletroquímico. O módulo contém diversas interfaces físicas que simulam ou os processos eletroquímicos em si ou os processos circundantes que os afetam.

Transporte de Espécies Químicas

As espécies reativas de baterias e células a combustível podem mudar entre diferentes estados e fases. Podem existir como gases, líquidos e sólidos; em eletrólitos concentrados e diluídos; e misturas e soluções em estado sólido. As interfaces do Batteries & Fuel Cells Module para transporte de materiais modelam o transporte de espécies químicas através de uma gama de meios livres e porosos. Isso inclui a difusão, convecção e migração em soluções e misturas diluídas e concentradas, em eletrodos planos e porosos e em GDEs.

A migração é um termo disponível em todas as interfaces físicas, o qual é levado em conta na interface Tertiary Current Distribution pela interface Nernst-Planck Equations. O transporte de materiais também é descrito em interfaces físicas para modelar baterias de íons de Lítio, baterias chumbo-ácidas e baterias de eletrólitos binários, em formas específicas para estes eletrólitos. Há também à disposição uma interface específica dedicada a reações em escoamentos para modelar o transporte de espécies químicas acoplado diretamente ao escoamento e às reações químicas.

Cinética das Reações Eletroquímicas

Como em todos os módulos no Conjunto de Produtos COMSOL, pode-se definir qualquer equação desejada nos campos de edição dentro das interfaces físicas e torná-las dependentes de qualquer uma das variáveis dentro do sistema modelado. Quando isso é feito para reações de transferência de carga eletroquímica, as expressões cinéticas podem ser funções arbitrárias das concentrações de espécies químicas, da temperatura e dos potenciais locais dos eletrodos e eletrólito na interface eletrodo-eletrólito.

O Batteries & Fuel Cells Module oferece interfaces físicas predefinidas que ajudam a definir essa cinética. Isso inclui as interfaces de Eletroanálise, que são especificamente úteis para modelar aplicações como Impedância de CA. Nas interfaces de Distribuição de Corrente Secundária e Ternária, são disponibilizados campos de edição para os parâmetros cinéticos dos eletrodos de potencial de equilíbrio, coeficientes de transferência de carga anódica e catódica, densidade de corrente de troca, o fator simetria e estequiometria. Expressões predefinidas também são disponibilizadas para expressões de Butler-Volmer e Tafel. Na interface de Distribuição de Corrente Ternária, a concentração local das espécies eletroativas é incluída nas expressões de reação usando as variáveis para a concentração. Eletrodos porosos e GDEs também são aprovisionados nessas interfaces físicas, onde a condutividade dos eletrólitos e eletrodos pode ser especificada junto com o comportamento anisotrópico.

Balanços de Corrente no Eletrólito e Eletrodos

O objetivo prático das baterias e células a combustível é facilitar a conversão de energia química em energia elétrica e vice-versa (no caso das baterias). As perdas durante essa conversão devem ser as menores possíveis e o envelhecimento deve ser mantido mínimo. Para serem usadas para a concepção e a otimização, as simulações geralmente precisam incluir os efeitos do transporte iônico no eletrólito, nas membranas e nos eletrodos porosos e da condução eletrônica nos eletrodos, todos em combinação com a conservação da corrente e da carga.

As interfaces de Distribuição de Corrente Primária e Secundária consideram que os íons se movem somente através dos efeitos do campo elétrico, desprezando a difusão, embora ainda possam incluir expressões analíticas aproximadas para o sobrepotencial de concentração em eletrodos porosos. A interface Secondary Current Density também pode ser totalmente acoplada ao transporte em fase gasosa, usando as equações de Maxwell-Stefan, nos poros em eletrodos de difusão gasosa. Isso inclui a difusão de espécies dissolvidas no eletrólito poroso entre o poro gasoso e os sítios ativos usando modelos aglomerados ou modelos em filme fino.

A interface Tertiary Current Distribution considera o transporte de íons através das contribuições de todos os três processos de transporte de materiais: difusão, convecção e migração pelas equações de Nernst-Planck. Todas essas contribuições são, portanto, incluídas nas fórmulas que descrevem a densidade de corrente, embora a convecção normalmente seja cancelada pela eletroneutralidade. Essa formulação também se acopla às reações de transferência de carga na interface eletrodo-eletrólito e oferece resultados para a tensão elétrica da célula no que se refere à corrente celular para análises estacionárias, transientes e de domínio de frequência (EIS).

A condução de corrente elétrica nos eletrodos e nos coletores de corrente é descrita usando a lei de Ohm junto com as equações para conservação de corrente, incluindo a condução elétrica em eletrodos porosos e GDEs. Uma interface que simplifica a modelagem da condução de corrente em coletores e alimentadores de corrente finos, usando camadas (carcaças) finas sem ter que mesclá-las, também é incluída no Batteries & Fuel Cells Module. Partículas, fibras ou filamentos condutores de elétrons também podem ser incluídos dentro de uma célula para estimular os efeitos de curto circuito e fuga térmica nas baterias.

Interfaces de Bateria

Interfaces físicas específicas foram incluídas no Batteries & Fuel Cells Module para modelar baterias de íons de Lítio. Elas incluem termos e fórmulas adicionais para descrever a difusão (intercalação) interna de partículas e a interface sólido-eletrólito (SEI) como tendo uma espessura e incluídas como uma variável do modelo. O crescimento da SEI durante a operação e em diferentes condições operacionais pode ser modelado para simular o envelhecimento. Também é incluída a interface The Lead-Acid Battery, que considera adicionalmente a variação de porosidade nos eletrodos, devido à carga e descarga da bateria, e a velocidade superficial média do eletrólito causada por essa mudança de porosidade. As baterias de eletrólitos binários são mais bem modeladas dentro de sua interface física específica porque esta considera eletrólitos concentrados e os limites que a eletroneutralidade impõe ao transporte de íons nesses sistemas, bem como a intercalação de espécies nas partículas que constituem os eletrodos porosos. Essa interface física é útil para modelar as baterias de Níquel-hidreto metálico e de Níquel-Cádmio.

Escoamento

Escoamentos laminares e em meios porosos são considerados no Batteries & Fuel Cells Module em interfaces físicas que resolvem as equações de Navier-Stokes, Lei de Darcy e as equações de Brinkman. Pode-se levar em conta escoamentos turbulentos e bifásicos usando as interfaces de Escoamento do CFD Module nas simulações.

Transferência de Calor

O Batteries & Fuel Cells Module inclui interfaces físicas para modelar a transferência de calor por convecção, condução e difusão térmica devido à ação da migração iônica. Uma interface específica para o aquecimento por efeito de Joule, que também inclui as contribuições das perdas por ativação, se faz disponível junto com outra para modelar a transferência de calor através de meios porosos. Isso leva em conta as diferentes condutividades nas fases sólida e fluida, aliado a dispersão térmica convectiva que ocorre nesse tipo de meio. A radiação de superfície para superfície pode ser considerada em sistemas de temperatura elevada acoplando-se os modelos às interfaces físicas no Heat Transfer Module.

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