锂离子电池单元建模

可使用锂离子电池电芯模型来模拟可充电锂离子电池电芯的充放电，或一次性锂电池电芯的放电。

锂离子电池电芯模型 3D-MSE 方法对电极的三维微观结构进行建模并预测其电化学反应有助于确定电芯设计的质量和性能。

在放电过程中，锂从阳极活性材料脱离，此时锂在电解质处离解成锂阳离子 (Li+) 和相等数量的电子。

注	在对锂离子的传输建模时，需要使用双精度版本。

对锂离子电池电芯建模：

启动双精度版本的 Simcenter STAR-CCM+。
创建新模拟。

当对锂离子电池电芯建模时，由于 Simcenter STAR-CCM+ 中基于 CAD 的工具的精度 (1.0E-8 m)，很难在微观级别操作部件。为了避免此类问题，可以先使用米长度尺度导入部件或创建 3D-CAD 部件，稍后再缩放网格。

导入几何部件，或创建表示锂离子电池电芯的微观部分的 3D-CAD 部件。

如果要导入部件，在导入对话框中，确保激活根据重合实体创建部件接触。每个锂离子电池电芯必须至少包含以下部件：

阳极
阴极
电解质

如有必要，还可以包括阳极和阴极集流器的部件。

可采用不同的方式表示阳极和阴极，具体取决于正在建模的情景。选择以下某个选项：

要获得最真实的结果，可以导入从电极三维重构创建的几何。可以使用通过成像技术（例如 x 射线或聚焦离子束/扫描电镜 (FIB/SEM) 成像）创建的部件或网格。
为了简化表示活性材料的不规则和复杂结构，对于每个电极，可以创建一个简单的固体结构，其中包含构成一个部件的随机分布固体颗粒。固体活性材料存在于电解质中。可以通过增加总体积中包含的固体颗粒数来减小孔隙率，或者通过减少固体颗粒数来增大孔隙率。
如果只想对一个电极详细建模，则按照此电极之前的某个选项操作，然后对另一个电极使用集总方法。可以集总任一电极，具体取决于建模时对哪种应用感兴趣。例如，如果考虑对石墨阳极的放电建模，则可以创建集总阴极。但是，如果要对阴极保护建模，则可以创建集总阳极。
1. 用六面体块近似锂箔。可以粗化此块的网格。
2. 对于固体电解质交界面 (SEI)，使用线性的电极平衡电势，并设置参考箔电极平衡电势 $U_{eq} = 0$ ，如下所示：
  - 对于 y = 0 的电极平衡电势，将值设为 0。
  - 对于 y = 1 的电极平衡电势，将值设为 0。
3. 停用防止电极耗尽。
4. 将速率常数设为较高的值，例如 1.0E-3 kmol/m2 s。
  通常，在对电极行为不感兴趣时使用集总电极。集总电极是包含通过电解质分散的活性材料的更详细电极的粗略近似。完成电路时才需要集总电极。因此，设置高速率常数可确保材料轻松地通过集总电极处的界面，继续电流的流动。
5. 要确保已求解的非箔电极具有容量限制，需要将电极的最高浓度 $c_{s, max}$ 设为高值，例如 $c_{s, max}$ = 1E30。
如果要对一次性电池建模，需要使用上述前两个选项中的任一个选项的过程创建阴极。然后，对于阳极，创建薄固体部件来表示锂金属箔。

注	要在使用简化表示时获得真实结果，需要确保精确表示电极活性材料的孔隙率。可以通过固体体积与总体积的比确定孔隙率。高孔隙率（固体体积较少而电解质较多）的锂离子电池具有高功率输出，这是因为允许高电流流动的离子传导通路的电阻较小。但是，低孔隙率（固体体积较多而电解质较少）的锂离子电池更适用于存储高能量密度，因为能量存储在固体材料中。

如果重合的部件之间不存在接触，则创建部件接触或压印部件。
请参见：手动创建部件接触或在相邻面上压印部件。
将部件分配给区域，确保激活 Create Interfaces from Contacts(根据接触创建交界面)，并选择以下选项：
- 为每个部件创建一个区域
- 为每个部件表面创建边界

创建物理连续体以表示区域。

下表显示了如何将区域分配给物理连续体的示例：


物理连续体	区域
[阳极连续体]	[阳极]
[阳极集流器连续体]	[阳极集流器]
[阴极连续体]	[阴极]
[阴极集流器连续体]	[阴极集流器]
[电解质连续体]	[阳极电解质]
	[阴极电解质]
	[隔离膜]

对于每个物理连续体，选择物理模型。

下表显示了每个不同连续体的物理模型选择示例（按顺序）：

注	自动选择推荐模型已激活。


组合框	模型
	[阳极连续体]	[阳极集流器连续体]	[阴极连续体]	[阴极集流器连续体]	[电解质连续体]
时间	隐式非稳态
材料	固体				液体
流体					分离流
粘滞态					层流
状态方程	恒密度
空间	三维或二维
可选模型	电化学				电化学
电化学	锂离子电池单元				锂离子电池单元
可选模型	锂离子浓度		锂离子浓度		锂离子浓度（自动选择）
	锂离子电势				锂离子电势（自动选择）
	分离固体能量
能量					分离流体温度

注	锂离子电池电芯模型仅在隐式瞬态模拟中可用。锂离子浓度模型不用于阳极或阴极集流器，因为此模型旨在仅对活性材料和电解质中的锂浓度建模。

设置每个物理连续体中固体和液体模型所需的材料属性。
特定液体材料属性：
- 使用锂离子电势或锂离子浓度模型时，可以使用材料数据库中存储的预定义材料属性常数或表来指定液体电解质材料属性。每个表包含不同锂离子/盐浓度和电解质温度下的材料属性值。在 30 °C 和 1 mol/kg 摩尔浓度下为每个材料属性给定了常数值。
  1. 展开连续体 > 连续体 > 模型 > 液体 > [电解质] > 材料属性节点。
  2. 根据情况，选择以下某个选项：
    - 当温度和锂/盐浓度的值变化不大时，使用预定义常数数据：
      从以下节点中选择多个：盐扩散率的浓溶液修正、导电率、锂/盐扩散率、盐迁移的非理想溶液修正和密度。然后在多个对象 - 属性窗口中，将方法设为常数。
    - 对于温度和锂/盐浓度值变化很大的详细设置，使用预定义表格数据：
      从以下节点中选择多个：盐扩散率的浓溶液修正、导电率、锂/盐扩散率和盐迁移的非理想溶液修正。然后在多个对象 - 属性窗口中，将方法设为表 (T,c)。
设置边界条件。不能为液体电解质相设置独立的边界条件。此相具有与固体活性电极的界面。如果锂离子电势和锂离子浓度模型在两个区域中均激活，则自动创建 SEI 界面。但是，一个区域必须是液体且另一个区域必须是固体；不会为固体/固体和液体/液体界面创建 SEI 界面。

如果设置了单位电流或电流密度边界条件，将显式指定流过边界的电流。例如，如果设置的值为 1 A/m2，则沿着整个边界的电流密度的法向分量设为常数值 1 A/m²。

对于电流边界条件，将指定流过边界的总电流。但是，沿边界的单位电流分布并不一定是恒定的。它是流过固定为指定值的边界的电流积分值；单位电流会随着求解的进行而变化。
1. 选择区域 > [区域] > 边界 > [边界] > 物理条件 > 电势指定节点。
2. 在属性窗口中，设置方法属性：
  - 对于诺伊曼边界条件：
    - 如果知道总电流，则将方法设为电流。
      A 中定义了电流。该边界条件类型指定流过边界的总电流。进入域的电流是正电流。离开域的电流是负电流。
    - 如果知道电流密度，则将方法设为单位电流或电流密度。
      电流密度以 A/m² 定义。通过边界的总电流是电流密度与边界面积的乘积。“单位电流”作为标量分布输入，而“电流密度”作为矢量分布输入。
  - 对于狄利克雷边界条件：
    - 如果知道电势，则将方法设为电势。
      电势 $φ$ 以 V 定义。
    - 如果知道电流密度，则将方法设为电流密度。
      电流密度以 A/m² 定义。
3. 选择区域 > [区域] > 边界 > [边界] > 物理条件 > [特定电流]、电流、电流密度或[电势] 节点，并设置值。
要定义浓度的边界条件：
1. 选择区域 > [区域] > 边界 > [边界] > 物理条件 > 锂壁面浓度指定节点。
  - 要指定诺伊曼边界条件，则将方法设为通量。
  - 要指定狄利克雷边界条件，则将方法设为浓度。
2. 选择区域 > [区域] > 边界 > [边界] > 物理条件 > [锂浓度通量]或[锂/盐浓度] 节点，并设置值。
定义固体电解质交界面的属性。请参见锂离子电势模型交界面设置。
设置初始条件。要确定两个电极中锂/盐浓度的适当初始（或重新初始化）条件：
1. 创建初始设置，将常数锂/盐浓度作为两个电极区域中的初始值。 $c = c_{s, max} / 2$
2. 或者，选择报告 > [锂离子电池电芯 1] 节点，然后设置 SOC 步增量专家属性。有关更多信息，请参见锂离子电池电芯。
  
  此专家属性设置状态表的分辨率。
3. 运行锂离子电池电芯报告。
  在“输出”窗口中，状态表提供了给定 $S O C$ 下电池电芯的条件。
4. 将所需 $S O C$ 下的平均浓度+ 值用作阴极浓度。
5. 将所需 $S O C$ 下的平均浓度- 值用作阳极浓度。
设置求解器参数和停止条件。
请参见：
- 电势求解器参考
- 锂/盐浓度求解器属性
对 3D-MSE 电芯建模时，建议将电势模型求解器方法设为 Hypre 线性求解器。
准备要可视化结果的场景和绘图。
有关可用场函数，请参见：
- 锂离子浓度模型场函数
- 锂离子电势模型
运行模拟。
初始化模拟后，还可以创建锂离子电池电芯报告。
1. 创建锂离子电池电芯报告。
2. 选择报告 > [锂离子电池电芯 1] 节点，然后设置锂离子电池电芯属性。
3. （可选）创建监视器时，将监视器值设为要监视的数量。

要练习如何设置锂离子电芯，可尝试认真学习锂离子电芯模型：电芯电化学分析教程。