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使用 COMSOL 軟件模擬分析鉛酸蓄電池設(shè)計中的電流分布

2018-11-14 10:11:22·  來源：Brianne Costa COMSOL  
　
即使度過匆匆數(shù)百年，一些發(fā)明依舊沿襲了問世時的設(shè)計。彈出式面包機發(fā)明于 1921 年，期間雖有改進，但至今仍在兢兢業(yè)業(yè)地烤面包。再比如 150 年前發(fā)明的曲別針
即使度過匆匆數(shù)百年，一些發(fā)明依舊沿襲了問世時的設(shè)計。彈出式面包機發(fā)明于 1921 年，期間雖有改進，但至今仍在兢兢業(yè)業(yè)地烤面包。再比如 150 年前發(fā)明的曲別針，我們?nèi)杂盟鼇碚砦募?。鉛酸蓄電池也是如此，此裝置雖然發(fā)明于 1859 年，但它的基本工作原理與現(xiàn)代汽車的電池完全相同。
 
性能強大、價格低廉的蓄電池
Gaston Planté 是一位法國物理學(xué)家，他最著名的成就是 1859 年研發(fā)出鉛酸蓄電池。Planté 發(fā)明的第一代電池由兩片鉛制成，鉛被卷成螺旋狀，并被一塊亞麻布分隔開，然后鉛被浸沒在硫酸溶液中。最初的電池設(shè)計很笨重，但性能非常強大。它們最初的用途之一是為?？吭谲囌镜幕疖囂峁﹦恿Γ瑤椭丝统掷m(xù)照明。
Gaston Planté 的鉛酸蓄電池的插圖。圖片在美國處于公有領(lǐng)域，通過 Wikimedia Commons 分享。
今天，鉛酸蓄電池的基本工作原理沒有變化。得益于大功率重量比、低廉的成本以及基于反向電流的可再充電的能力，鉛酸蓄電池在汽車和電力工業(yè)得到了廣泛應(yīng)用。
汽車中的鉛酸蓄電池。圖片由 Frettie 提供。獲得 CC BY 3.0 許可，通過 Wikimedia Commons 分享。
雖然自 Planté 的時代以來，鉛酸蓄電池的基本工作原理沒有改變，但現(xiàn)代產(chǎn)品應(yīng)用仍然存在分析與改進的空間。優(yōu)化鉛酸蓄電池板柵的設(shè)計可以提升其性能、增加使用壽命并減輕重量。一種優(yōu)化方法是借助電化學(xué)建模。
 
使用 COMSOL® 軟件模擬鉛酸蓄電池
 
使用 COMSOL Multiphysics® 軟件以及附加“電池與燃料電池模塊”，您可以創(chuàng)建鉛酸蓄電池的數(shù)值分析幾何模型。本文選擇半電池作為示例，它由板柵、極耳和被電解質(zhì)域包圍的多孔電極矩陣組成。仿真評估了半電池在 100 A 大電流放電下的性能。
半電池模型的幾何形狀。
一次電流分布 接口是“電池與燃料電池模塊”中的一組預(yù)定義的建模功能，可用于模擬半電池中的電流分布。在使用一次電流分布 接口進行建模時，影響電池性能的因素包括：
  • 電解質(zhì)和電極的電導(dǎo)率
  • 電流密度
  • 電池幾何結(jié)構(gòu)
此例忽略了質(zhì)量傳遞和電極動力學(xué)的貢獻?？紤]到電池的電解質(zhì)濃度足夠大，（在指定電流密度下）不會隨時間發(fā)生顯著變化，而且電荷轉(zhuǎn)移電阻的貢獻相比于電解質(zhì)電阻較小，所以此接口是電池建模的明智選擇。如果一次電流分布 接口使用一組特定的電池材料和特定的化學(xué)物質(zhì)，電池的幾何結(jié)構(gòu)則成為電勢場的唯一決定因素。此外，此接口的底層物理場不包含非線性表達式，這意味著它不僅易于求解，而且可用于在創(chuàng)建復(fù)雜電池模型之前確定其近似值。
一次電流分布 接口定義了兩個因變量：
  1. 電解質(zhì)電勢，此例將與電池板柵平行的外部邊界上的電解質(zhì)電勢設(shè)為零
  2. 電極電勢，此例通過使用內(nèi)部電極表面 節(jié)點找到電極電勢，借此設(shè)置一次電流條件
評估電池中的電勢和電流分布
分析結(jié)果顯示了在特定設(shè)計和操作條件下，鉛酸蓄電池的電勢和電流密度。我們繪制了電解質(zhì)與多孔電極中的電勢，圖片表明，電池中最靠近極耳的區(qū)域的電位降最大。板柵與極耳的電勢結(jié)果圖顯示了極耳周圍的區(qū)域與較遠的角落之間的電勢差（0.15 V）。
 
電解質(zhì)和多孔電極（左）以及板柵和極耳（右）中的電勢。
結(jié)果還顯示了電流密度分布。在這款設(shè)計中，電池中最活躍區(qū)域（最靠近極耳）的電流密度是電池對角的兩倍。
鉛酸蓄電池模型中的電流密度分布。
這些仿真結(jié)果與提高電池性能有什么關(guān)系呢？電勢和電流密度分布的數(shù)值表明，增加極耳周圍區(qū)域中的板柵框架厚度后，電流分布會更加平衡，進而促進電池其余部分的電流分布變得更均勻。實現(xiàn)均勻電流分布有利于改善鉛酸蓄電池的性能和可靠性。
 
 
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