鋰離子電池和燃料電池通常要求能夠在更惡劣的環境下工作，并具有更高的能量密度或能量效率，以及更長的使用壽命。這些要求對電池鄰域的研究與創新產生了更多的壓力。通過COMSOL的模擬仿真已經成為開發、設計、優化以及保證電池和燃料電池質量和安全性的必要工具，并且已經成功運用在許多高檔次的研究論文中。尤其是在鋰離子電池領域，由于各參數對電池性能影響的不確定性，導致了實驗設計具有一定的盲目性。傳統的窮舉法確定參數具有任務繁重、效率低下等缺點，并且難以解決理論問題。作為實驗的補充工具，COMSOL Multiphysics可以：（1）在實驗之前通過電池建模對各個實驗方案進行模擬，預估實驗結果，縮小參數范圍，提高工作效率。（2）模擬電池工作過程中內部電化學過程，有助于研究人員研究電池內部過程。通過對電池模型的簡化、仿真和分析，更有效地管理電池工作狀態。（3）與實驗數據結合，使得文章內容具有說服力、預見性、新穎性。
目前鋰離子電池的熱管理、極化現象、SEI膜的穩定性以及電極/電解質界面問題等幾個研究熱點都可以通過COMSOL Multiphysics進行仿真模擬。電池與燃料電池模塊可以模擬電池和燃料電池的電極和電解質中的底層電化學過程。它使您可以研究電池在不同工作條件、設計配置下的性能，以及不同老化機制下的退化過程。使用這個專業模塊，您可以仿真帶電和中性物質傳遞、電流傳導、流體流動、傳熱等過程的特性，以及平面和多孔電極中的電化學反應屬性和驅動力。了解這些特性之后，您可以根據性能、熱管理和安全性，設計和優化系統中電極、分隔板、膜、電解質以及集流體與饋流體的幾何和材料選擇。
高檔次文章中仿真模擬示例
1. Nature Energy, 2018, 3(12),1076. Stable metal battery anodes enabled by polyethylenimine sponge hosts byway of electrokinetic effects. 仿真模擬研究多孔電極對電解液中電流密度和電極上鋰沉積機理經行研究。
2. Science advances, 2018, 4(11), eaat3446. Anion redistributor for dendrite-free lithium metal anodes. 通過模擬說明增加固態空間電荷層對鋰離子分布的影響。
3. Advanced Materials, 2017, 29(40), 1703729. StableLi metal anodes via regulating lithium plating/stripping in vertically alignedmicrochannels. 通過模擬計算展示多孔電極中的電極電流密度分布。
4. Journal of the American Chemical Society, 2017, 139(13), 4815-4820.Lithium metal anodes with an adaptive “solid-liquid” interfacial protectivelayer. 鋰離子在不同形狀電極上的乘積速率比較。
COMSOL Multiphysics 電池模塊功能詳解
COMSOL Desktop? 圖形用戶界面 (GUI) 內，電池與燃料電池模塊提供了大量專業的物理接口。一次電流分布物理場接口，含有一些適當的編輯區，用于定義電池或燃料電池中各個組件的材料屬性，例如電極和電解質的電導率。此外，它可以方便地與電池與燃料電池模塊、COMSOL Multiphysics 基本模塊或其他專業模塊結合，描述其他特征，例如焦耳熱或熱應力分析。
Comsol的仿真結果和工作界面
1. 研究系統的電化學特性
提高研究的復雜程度：電化學反應的動力學特性高度依賴于電極的微觀結構、電催化材料和電解質組成。極少有材料數據庫會列出動力學參數，所以電化學家們必須通過實驗來確定其設備的特定參數。但是，在諸如電池和燃料電池之類封閉系統內運行復雜的受控實驗是很困難的，特別是這些系統具有大量可以影響電化學過程的不同物理參數。為了獲得這些動力學參數的精確描述，通常需要將實驗與同實驗過程的模擬進行比較，然后尋求這些參數的實際值。電池與燃料電池模塊提供了可模擬這些試驗的物理場接口，例如循環伏安法和電化學阻抗譜（EIS 或 AC 阻抗），以及用于導入數據、繪制圖形，乃至對其運行參數進行估計的工具（需要優化模塊）。
建立電化學動力學理論之后，您可以通過二次電流分布模型將它們納入您的電池和燃料電池研究。在這些模型中，電荷轉移機制和活化過電勢會直接影響電化學反應。此類模型可以更好地指示系統的工作電壓和電流，可用于確定電極和電催化劑材料，同時使您能夠在任何傳熱過程研究中考慮活化過電勢損耗。
此外，二次電流分布接口可以與化學物質傳遞接口完全耦合；化學物質傳遞接口描述物質在氣孔中（例如，在氣體擴散電極 GDE 中）的傳遞。在 GDE 的描述中，可以使用凝聚物模型或薄膜模型來描述溶解氣體在孔隙電解質中的傳遞，以及它們到活化位點的傳遞。然后，還可以將孔隙中的氣體傳遞耦合到氣體通道中（例如燃料電池雙極板）的傳遞和流動。
均相反應可以通過電池與燃料電池模塊中質量傳遞接口的動力學表達式來描述，在其中可以定義任意的匯項與源項。或者，也可以在化學反應工程模塊中的物理接口中定義它們，并將它們耦合到電池或燃料電池模型中。
汽車鋰離子電池組模型的溫度場，此處表征的是冷卻通道中流體的溫度等值面和溫度分布
2. 獲得全部過程的完整脈絡
但是，之前的模型假設整個電解質中的濃度是恒定的，電流傳輸僅通過離子遷移形成，這顯然是不真實的。驅動電化學反應的重要因素之一就是反應位點附近的電解質組成。要真正地研究電池和燃料電池的電化學特性，可能需要三次電流分布接口。它會考慮到濃度變化，非常好的描述電解質中的質量平衡和質量傳遞。
此外，對于三次電流分布，電解質和孔隙電解質的組成可以與氣相中的材料平衡，和多孔電極與 GDE 的氣孔中的材料平衡完全耦合。這些還可以使用凝聚物和薄膜模型來描述，并包含通過孔隙電解質的物質傳遞。對于電池接口，還包含了特定的插層方程，用以描述電極顆粒中的傳遞現象。
分離板和電極中的材料可能也會在均相反應作用下發生反應，導致性能退化。您可以利用化學物質傳遞接口模擬這些材料的化學反應，用于估計電池材料的老化對電池和燃料電池性能可能產生的影響。
電極和集流體中的電流傳導使用歐姆定律與電流守恒方程描述。它可以表示電子導體（例如集流體和饋流體、電極、多孔電極和 GDE）中的電阻損耗。集流體和饋流體還可以使用薄導電層（也稱為殼）模擬，從而不必沿這些薄層的厚度方向進行網格剖分。利用專用的電極接口，通過電荷轉移反應，電子導體中的電流平衡可以與電解質和孔隙電解質中的電流平衡耦合。
全三維固體氧化物燃料電池 (SOFC) 的電化學阻抗譜 (EIS) 研究
3. 電池和燃料電池模型與其他物理場耦合
在電池與燃料電池模塊中開發的模型還可以與 COMSOL 模塊套件中任何其他物理接口耦合。通過耦合，您可以根據組件的性能和退化過程，獲得多方面的關鍵信息：集流體與饋流體、冷卻系統的設計和運行，電極、分離板和膜的優化以及熱管理。
CFD 模塊或傳熱模塊的流體流動接口（支持湍流仿真），可以用于模擬鋰離子電池或高溫燃料電池（例如 MCFC 和 SOFC）的加熱和冷卻系統。它們可能還需要表面對表面輻射的模型，這可由傳熱模塊支持。電化學阻抗譜（EIS 或 AC 阻抗譜）、伏安法和電流中斷仿真和實驗的參數估計可以通過與優化模塊的組合來完成。模擬電極老化時的一個有趣耦合是考慮電極充放電過程中由于密度變化而產生的結構應力。這些應力可以用于估計電極顆粒的微破裂程度，而顆粒微破裂會導致電導率損失，使電極的性能退化。
燃料電池堆中的流體流動和壓降
4. 仿真所有類型電化學過程的物理接口
電池與燃料電池模塊是唯一可以自由地模擬所有類型燃料電池和電池的仿真軟件，具有仿真所有類型電化學行為的強大功能。該模塊內包含了多種物理接口，它們仿真電化學過程本身或相關影響過程。
化學物質傳遞
電池和燃料電池中可以存在反應物質，之后轉換為各種不同的狀態和相態。這包括以氣體、液體、固體形式在濃溶液與稀溶液電解質、混合物和固態溶液中存在的物質。用于質量傳遞的電池與燃料電池模塊接口可以模擬在一系列自由流道和多孔介質內的化學物質傳遞。這包括平面電極、多孔電極和 GDE 中的稀溶液或濃溶液和混合物等中的擴散、對流和電遷移現象。
在所有物理接口中，電遷移都是一個可選項，在三次電流分布接口中通過 Nernst-Planck 方程來表示。在用于模擬鋰離子電池、鉛酸電池和二元電解質電池的物理接口中，還可通過與電解質相關的特定方式描述材料傳遞過程。此外，還提供了一個特定的反應流接口，用于模擬與流動和化學反應直接耦合的化學物質傳遞過程。
電化學反應動力學
與 COMSOL 模型套件中的所有模塊一樣，您可以在物理接口的編輯區域內定義您需要的任何方程，并使它們依賴于模型系統內的任意變量。編輯電化學電荷傳遞反應式時，動力學表達式可以是以下變量的任意函數：化學物質濃度，溫度，以及電極-電解質界面處的局部電極電位和電解質電位。
電池與燃料電池模塊提供了一些可幫助定義電極動力學的預定義物理接口。其中包括電解分析接口，這些接口對于模擬諸如 AC 阻抗之類的問題特別有幫助。在二次和三次電流分布接口中，提供了參數編輯區域用于描述平衡電勢、陽極與陰極電荷轉移系數、交換電流密度、對稱因子和化學計量系數等電極動力學參數。此外，Butler-Volmer 方程和 Tafel 表達式同樣預定義在接口中。在三次電流分布接口中，電活性物質的局部濃度通過濃度變量包含在反應表達式中。多孔電極和 GDE 也在這些物理接口中得到處理，并可同時指定電極與電解質的有效電導率和各向異性。
電解質與電極中的電流平衡
電池和燃料電池的實際目的是將化學能轉化為電能，反之亦然（對于電池）。轉換中的損耗應盡可能地小，老化也應保持在最低限度。為了設計和優化，仿真模型通常必須考慮電解質、薄膜和多孔電極中的離子傳遞，以及電極中的電子傳導，且都與電流守恒和電荷守恒相耦合。
一次和二次電流分布接口假定離子僅在電場作用下遷移，而忽略擴散現象，不過它們仍然可以考慮多孔電極中濃度過電勢的近似解析表達式。二次電流密度接口還可以與氣體擴散電極孔隙中的氣相傳遞過程全耦合計算（使用 Maxwell-Stefan 方程）。這將考慮孔隙電解質中的溶質在氣孔和活化位點之間的擴散（凝聚物模型或薄膜模型）。
三次電流分布接口考慮在全部三種傳遞過程作用下的離子傳遞過程：擴散、對流和電遷移（ Nernst-Planck 方程）。因此，所有這些因素均包含在描述電流密度的公式中，雖然由于電中性通常會忽略對流作用。此機理也可耦合到電極-電解質界面上的電荷傳遞反應中，為您提供穩態、瞬態和頻域（EIS）的電壓分析結果。
電極和集流體中的電流傳導過程使用歐姆定律與電流守恒方程描述，并考慮多孔電極和 GDE 中的導電過程。電池與燃料電池模塊還包含了一個薄層（殼）接口，它無需進行網格剖分，并可簡化薄集流體和饋流體中的電流傳導的模擬方法。電池仿真中還可以考慮電子導電粒子、纖維或長絲等因素，以仿真電池中短路和熱失控的影響。
電池接口
電池與燃料電池模塊中包含了一些用于模擬鋰離子電池的特定物理接口。這包括一些額外的項和公式，用于描述顆粒內部的擴散（插層）過程和固體-電解質界面 (SEI)。可以通過對電池正常運行時及不同工作條件下的 SEI 生長進行模擬來仿真老化過程。此外還提供了鉛酸電池接口，額外考慮了由于電池充放電而引起的電極孔隙率變化，以及由此引起的電解質平均表觀速度。利用特定物理接口模擬二元電解質電池，考慮了濃溶液電解質和電中性約束，以及多孔電極顆粒中的粒子插層過程。該物理接口可用于模擬鎳金屬氫化物和鎳鎘電池。
總結
可見有限元模擬應用廣泛，掌握有限元模擬方法可以說一種通用的科研技能。
