锂电池有限元模拟合集

科技   2024-09-23 08:13   北京  
计算机模拟不是万能的,一般仅能模拟已经深入认识、具备成熟理论的过程,而且由于过程的简化和假设,往往与实际相差甚远。但是,仿真模拟对过程的理解和认识有帮助,能够在一定程度上预测结果。

所期望的理想锂电有限元模拟过程是:通过极片工艺模拟获得极片结构参数,将这些参数作为电化学模型的输入,考察参数对电池性能的影响,建立工艺-极片结构-性能之间的关系,预测工艺对电池的影响。


我的数学和物理化学基础并不好,只是有过一些做模拟的科研经历。在读研期间,我用有限元方法研究了涂层制备工艺。如图1所示,工艺过程原理为:预热高压气体从周向进入喷枪混合室,携带粉末颗粒的气体从轴向送入喷管中,经缩放型拉瓦尔喷管产生超音速气流,粉末颗粒经过整个喷嘴被加速到3001200m/s以上的高速度,形成超音速气--固双相流。高速粒子在完全固态下撞击基体,发生塑性变形并形成涂层。 

1  冷喷涂工艺原理示意图
 
模拟这个工艺过程时,我提取了两个关键的过程:(1气固两相流在缩放喷管内的加速过程模拟,从而计算颗粒的速度;(2金属粉体高速碰撞变形,并形成涂层的过程。
 
气固两相流加速过程模拟如图2所示,通过模拟研究气体的预热温度和压力等工艺参数对颗粒的加速影响,从而估算颗粒的碰撞速度。 
2  喷管网格图及气体温度与压力对铜颗粒出口速度的影响
 
颗粒碰撞喷涂过程模拟如图3所示,考察工艺参数对涂层工艺的影响,预测不同硬度的混合粉体在喷涂碰撞中的变形形貌,揭示涂层的结合机理。
图3  铜和铬两种粉体冷喷涂碰撞过程

图4  涂层形貌模拟与实验对比

 

后来,用模拟方法做过一些小项目,比如LED灯罩结构优化与热分析。因此,本公众号分享的锂离子电池有限元模拟主要先从以下2个方面开始:

(1)极片工艺模拟,包括搅拌、涂布、干燥、冲裁等。其中,搅拌、涂布和干燥主要是流体力学模拟过程,冲裁是材料力学和弹塑性形变过程;

(2)锂离子电池电化学模拟,根据电极结构和物性参数预测电化学性能。


之前也分享了一些这方面的内容:

 

不过建立基于工艺参数的模型预测电极结构,然后通过基于电极结构特性的模型预测电池性能,打通从从一个工艺再到下一个工艺,最终到电池性能的全链条模型的过程非常难,这是我自己的兴趣爱好,一直在学习。总结分享模拟理论基础、学习过程和经验,和大家共同进步,希望这个过程对自己,对大家都有所帮助。


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我是锂想生活mikoWoo,分享锂电池极片机理与工艺,以及相关知识;并从零开始,做锂离子电池的工艺参数-微结构特征-电池性能的计算机模拟。顺便记录生活和工作点滴:忆我此生,记她今世,那些与女儿一起成长的趣事。
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