リチウム電池モデリングとはどういう意味ですか？リチウム電池モデリングのヒント？

リチウムイオン電池モデリングの分野では、ニューマンモデルとその派生モデルが支配的な位置を占めています。このようなモデルは多孔質構造の均質化に基づいているため、ユーザーは多孔質電極の3次元形状を詳細に説明する必要がなくなります。

モデルでは、均質化とは、実際の多孔質構造を、固体粒子（左上の青い部分）と細孔電解質（緑の部分）で構成される均一な混合溶液に処理することによる、多孔質構造のおおよその表現を指します。ブロック厚板。均一な特性評価を使用した結果の1つは、電極内の細孔電解質（イオン伝導体）と導電性粒子（電子伝導体）が同じ幾何学的領域で定義されることです。その後、気孔率や曲がりくねった程度などの変数を使用して、有効電荷と物質移動の特性を記述し、細孔構造と粒子が幾何学的形状に与える重要な影響を調査します。

均一多孔質電極モデルには、電極材料と細孔電解質の間の電荷移動反応が含まれています。この反応は、電流の伝達を実現しながら、電極と電解質領域の電流のソースとシンクとしても機能し、2つの間のバランスを実現します。この反応は、溶液中の2つの化学物質間の反応に似ています。カソードの電荷移動反応は、導体の平衡電流のソースであり、細孔電解質の電流バランスを維持するために使用されるシンクでもあります。上記のソースとシンクを使用して、ファラデーの法則と均一電荷移動反応の化学量論係数に従って、モデルの物質収支計算を行うことができます。

これらの多孔質電極モデルは、さまざまな電気化学セルの多孔質電極のモデリングとシミュレーションに役立ちます。しかし、これらのモデルは、リチウムイオン電池の多孔質構造の詳細な設計を説明するときに効果的ですか？ Tommy Zavalis（バッテリーの専門家、COMSOLの元従業員、現在はCOMSOLクライアント）と私はティーブレイク中にこの問題について話し合い、同種モデルと異種モデルを比較した場合にのみこの質問に対する答えを知ることができると結論付けました。この目的のために、理想的な3次元多孔質電極シミュレーションに対するニューマンモデルの有効性を検証するために、異種モデルを作成しました。

異種モデルを作成する

不均一モデルでは、導電性粒子と細孔電解質を3次元構造として明確に記述し、空間をモデル化するときにそれらを2つの別々のドメインに扱います。

イオン移動によって引き起こされる電流保存は、細孔内の電解質ドメインに限定され、導電性粒子の電流保存は、固体電極領域に限定されます。イオンの物質移動は、細孔電解質ドメインでのみ定義されます。同時に、固体粒子の表面には境界があります。この境界では、イオンまたは溶液中の他の物質が相電子移動を介して反応する可能性があります。上記のモデルは、均質モデルとは対照的です。均質モデルでは、物質収支と反応が均質電極全体の計算領域で定義されるためです。

固体粒子の表面に形成された金属リチウムをシミュレートする場合、粒子表面が外部境界として機能する粒子ドメインでのみ拡散すると想定されます。

これで、ニューマンモデルと、より効果的に使用して細かい3次元モデルを記述することができる異種モデルの比較を開始できます。モデリング実験は非常に簡単です。理想的な3次元多孔質構造を持つ理想的なセルを構築しました。左右の多孔質構造は、リチウムイオン電池の負極と正極に相当します。最終的な幾何学的モデルを下の図に示します。ここでは、流線を使用して、遊離電解質と細孔電解質の電流の流れを示しています。電極粒子は、長軸の方向が異なる楕円体で構成され、導電性アレイを形成します。電解質は粒子間の隙間に含まれています。

正極と負極の電荷移動電流密度（A / m2）分布は、それぞれ右と左の幾何学的構造と色の凡例に対応しています。

上の図は、放電中の固体粒子の表面での電荷移動によって引き起こされる電流密度の絶対値を示しています。この図では、コレクター側での正極と負極の使用は、遊離電解質（または分離膜）側よりも少なくなっています。

粒子の長軸方向を回転させることにより、電極の長さ方向に沿って2つの異なる気孔率分布を得ることができますが、空隙率（気孔率）は一般的に変化しません。ニューマンモデルは全体の平均気孔率のみを入力条件として使用しているため、上記のように電極構造が変化しても計算結果は変化しません。

次の図の矢印の位置にある正極のように、図3の電極を180°回転させると、電流密度分布は変化しますが、この変化は非常に小さくなります（2つのカラー図のコントラスト図はこれを示しています）。以下に説明するように、電気化学的インピーダンス分光法を使用しても、この電流分布の小さな違いを検出することは困難です。

正極と負極が水平方向に180°回転すると、右の正極と左の負極の電流密度分布。観測結果を図3と比較することをお勧めします（上記の正極回転のみ）。

トミーと私がコーヒーを飲みながらおしゃべりをしているとき、電気化学抵抗分光法（EIS）と同様の方法を使用して、電極のサブプロセスを異なる時間スケールで分離できると推測しました。異なる幾何学的構造によって引き起こされる電流分布の違いを捉えることができる場合があります。このため、EIS実験をシミュレートするために、異種ジオメトリモデルと同種ニューマンモデルを使用します。

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