Modele de newman

Le champ de la modélisation de la batterie au lithium-ion est dominé par le modèle Newman et ses variantes. Ces modèles sont basés sur l`homogénéisation des structures poreuses: vous évitez d`avoir à dessiner la géométrie 3D détaillée des électrodes poreuses. Maintenant, nous pouvons comparer la façon dont le modèle Newman et un modèle hétérogène décrivent une structure 3D détaillée. En tant qu`expérience de modélisation simple, nous construisons une cellule unitaire idéalisée avec une structure poreuse 3D idéalisée, que nous utilisons pour les électrodes négatives et positives dans une batterie au lithium-ion. La géométrie est illustrée dans la figure ci-dessous, y compris les lignes de rationalise pour illustrer le flux actuel dans l`électrolyte libre et l`électrolyte interstitiel. Les particules d`électrode se composent d`ellipsoïdes qui sont pivotées avec l`axe principal dans des directions différentes afin de former une matrice de conducteurs d`électrons, avec l`électrolyte interstitiel contenu dans le vide entre les particules. Au cours de notre discussion sur le café, Tommy et moi avons spéculé qu`une méthode comme la spectroscopie d`impédance électrochimique (EIS), qui sépare les sous-processus dans l`électrode avec des échelles de temps différentes, serait en mesure d`attraper les différences entre les différents Géométries. Nous avons donc choisi de simuler une expérience EIS pour les géométries hétérogènes et le modèle Newman homogène. Bien sûr, le dernier mot dans cette affaire n`a pas encore été dit! Nous avons simulé une structure très simple, et les variations de la structure que nous obtenons en tournant les électrodes sont clairement trop petites pour influencer les résultats de façon spectaculaire. La prochaine étape naturelle consiste à essayer de plus grandes variations dans la description détaillée sous des propriétés moyennes constantes. Ensuite, il y a une chance que nous puissions obtenir une différence dans les résultats dans différentes structures hétérogènes, qui ne seraient pas capturés par le modèle de Newman homogène. Ces types de modèles d`électrodes poreuses ont bien servi dans la modélisation et la simulation d`électrodes poreuses dans de nombreux types différents de cellules électrochimiques.

Mais quelle est la validité de ces modèles pour décrire la conception détaillée de la structure poreuse pour la batterie lithium-ion? Tommy Zavalis (expert en batterie, ancien collègue et client actuel de COMSOL) et j`ai discuté de cette question lors d`une de nos pauses café suédois “sacrées”. Nous avons conclu que nous ne pouvions pas connaître la réponse à cette question tant que nous n`avons pas comparé un modèle homogène à un modèle hétérogène. Nous avons donc construit un modèle hétérogène pour valider le modèle Newman pour une géométrie d`électrode poreuse 3D idéalisée. La figure 6. Un complot de Nyquist créé en utilisant le modèle Newman pour simuler une expérience EIS. Il est en bon accord avec le tracé correspondant pour le modèle hétérogène dans la figure 5. Nous pouvons changer la rotation des particules pour créer deux distributions de porosité différentes le long de la profondeur de l`électrode, en conservant un ratio de vide-solide global constant (porosité). Les résultats du modèle Newman ne changeraient pas sous une telle variation, puisqu`il n`utilise qu`une porosité moyenne universelle comme entrée.

Les résultats étaient à la fois encourageants et décevants. Ils sont décevants parce que le petit changement de structure pour les cas dans la figure 3 et la figure 4 ne se présente pas dans les parcelles de Nyquist à partir des expériences de modélisation des deux géométries, comme illustré à la figure 5. Les résultats sont encourageants, cependant, parce que le modèle Newman donne un accord décent avec le modèle hétérogène sans aucun ajustement que ce soit; Voir la figure ci-dessous. C`est un peu surprenant, puisque notre structure idéalisée semble être trop grossière dans ses détails pour être effectivement homogénéisé.