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基于COMSOL的《鋰離子電池原理與仿真計算》新書上市啦
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作者∶邱煒、測試go團隊 01 作品簡介 《鋰離子電池原理與仿真計算》闡述了鋰離子電池的基本原理，內容包含電化學基礎、多孔電極理論等核心知識，同時詳細介紹了模型參數的確定方法、表征技術，以及如何利用comsol軟件進行電化學-熱耦合模型的構建。內容涵蓋了電、熱、力、安全、工藝及新技術等多個領域，為讀者構建了一個全面而系統(tǒng)的知識框架。全書劃分為11個章節(jié)，每章都緊扣鋰離子電池的運行機理，不僅揭示了電池工作的內在規(guī)律，還深入探討了當前研究領域面臨的關鍵技術難題與挑戰(zhàn)。 對于鋰電行業(yè)的從業(yè)者，特別是鋰電池研發(fā)人員，本書提供了一個全面而系統(tǒng)的知識指南。不僅幫助讀者建立起對該領域的全面認知，同時，它也提升了讀者運用仿真技術，有效應對研發(fā)過程中遇到的各種實際問題，為鋰電池技術的創(chuàng)新與發(fā)展提供了強有力的支持。 02 鋰離子電池仿真現(xiàn)狀 自1800年亞歷山大·伏打成功研制出第一個電池起，經過225年的發(fā)展，人們對電池理論的探索取得了顯著的進步。與此同時，隨著有限元理論體系不斷完善以及計算機技術的蓬勃發(fā)展，二者共同推動了數值仿真技術在電池研究領域的廣泛應用。 相較于傳統(tǒng)依賴單一物理場簡化計算或經驗模式的研究方法，數值仿真技術在處理復雜多物理場耦合問題時，展現(xiàn)出更高的計算精度、更快的運算效率以及更低的成本優(yōu)勢。當前，借助電化學p2d模型，研究人員能很輕易地獲取電池的電位、電流密度、電解液鹽濃度梯度及溫度場等關鍵參數，這些數據為電池設計優(yōu)化提供了重要依據，加速了電池的研發(fā)進程。 在鋰離子電池研究領域，數值仿真技術已成為解決電池動力學問題的關鍵工具，其應用價值獲得學術界與工業(yè)界的廣泛認可，逐步確立了其在鋰離子電池科研探索與工業(yè)應用中的核心地位。 03 什么是p2d模型？ 鋰離子電池動力學過程涵蓋界面電化學反應、液相離子傳輸及固相電子傳導等多個環(huán)節(jié)，構成多相、多界面的復雜體系。電池內部多孔結構與多組分共存特征，導致各步驟速率精確描述面臨顯著挑戰(zhàn)。如何構建鋰離子電池過程動力學的描述框架，并基于此實現(xiàn)電池性能的有效預測，成為科研人員亟待解決的問題。 20世紀60年代，加州大學john s. newman教授率先開展了鋰離子電池動力學研究，并基于其理論成果構建數值模型。歷經數十年發(fā)展，電池研發(fā)領域仍普遍采用newman教授提出的多孔電極理論與p2d（偽二維）模型開展電池設計與性能預測工作，該技術路線已形成行業(yè)共識。這一現(xiàn)象從側面印證了數值仿真技術與newman理論在鋰離子電池研究中的基礎地位。 針對鋰離子電池這一復雜體系開展理論分析時，newman等構建了特征化模型以表征實際電極核心特性。該模型通過宏觀均質化處理，避免了對電極微觀幾何細節(jié)的過度解析，而聚焦于影響電極性能的關鍵物理參數。模型參數設計需滿足可通過基礎物理測量手段獲取，確保實驗與理論分析的互驗性。例如，針對隨機結構多孔材料，其物理特性可通過孔隙率、單位體積比表面積及體積平均電阻率等可測參數進行表征；電解質性質則可通過體積平均電阻率參數進行統(tǒng)一描述。 圖片 3.1 p2d模型假設 （1）極片結構在鋰離子電池的各個位置處性質均相同； （2）正極涂層與負極涂層顆粒為均勻的球體顆粒； （3）隔膜為具有均勻孔隙的多孔結構； （4）正、負極球形顆粒和隔膜孔隙中填充滿電解液； （5）電池在充放電過程中無副反應發(fā)生； （6）忽略電解液的對流效應； （7）鋰離子擴散遵循菲克定律等； 通過對鋰離子電池進行模型抽象，我們就可以運用偏微分方程逐一描述各個動力學步驟。 通過方程聯(lián)立求解，即可得到電池各處的固相電勢、液相電勢、鋰離子濃度cl三個因變量（以及擴展維度下的固相鋰離子濃度cs），進而求得電化學性能相關的各物理量的分布情況。 04 書的內容講了什么？ 本書第1章系統(tǒng)闡述了鋰離子電池的發(fā)展歷程與基本原理，其中原理部分涵蓋熱力學與動力學基礎理論。鑒于熱力學在電池研究中的基礎性地位，以及動力學分析需以熱力學為理論前提，本章依然將熱力學作為專題進行獨立論述。 第2章聚焦newman多孔電極理論，通過解析其理論框架與核心思想，深化讀者對該理論體系的理解。 第3章詳細介紹了多孔電極模型參數及其表征方法，重點解析p2d模型關鍵參數（如極片孔隙率、顆粒粒徑分布、反應速率常數、擴散系數及電導率等）的物理意義與實驗測定技術，為讀者構建仿真模型提供技術支撐。 在完成仿真參數采集后，可借助商業(yè)化有限元分析軟件（如第4章介紹的comsol multiphysics）實現(xiàn)模型構建與數值求解。 第5章至第11章圍繞鋰離子電池典型應用場景展開，涵蓋電、熱、力、安全及工藝技術等領域，系統(tǒng)梳理各研究方向的學術進展、應用成果與建模方法，旨在培養(yǎng)讀者運用模型化思維解決工程實際問題的能力。 05 新技術的應用 5.1基于機器學習的設計 書中展示了基于機器學習的電池設計方法論：構建以粒子聚集結構為特征的高通量物理化學模型，建立粒子體積分數、粒子半徑等工藝參數與電池性能指標的映射數據庫。在此基礎上，采用人工神經網絡（ann）算法，以工藝參數為輸入特征變量，實現(xiàn)電池電阻的預測建模。進一步通過貝葉斯優(yōu)化算法對電極結構參數與工藝條件進行全局尋優(yōu)，獲得最佳性能配置方案。 5.2 固態(tài)電池模型簡介 p2d模型框架下的控制方程體系具備處理含二元及單離子導電電解質系統(tǒng)的普適性。該方程組聚焦于活性物質顆粒內部的質量傳輸與電勢分布特征，直接耦合電荷守恒定律、雙電層界面電荷存儲機制及電化學反應動力學過程。核心控制參數包括交換電流密度i0（濃度依賴型）、局部過電位ηi、開路電位（ocp）、電極比表面積as及有效電導率σs,eff。 全固態(tài)電池（assb）模型與經典二元液相鋰離子電池模型的核心差異集中于電解質相濃度cl與電勢φl的求解機制。針對該問題域特性，分別構建了適用于二元及單離子導電電解質體系的控制方程組。這些方程組為解析assb內部電化學過程動態(tài)行為提供了關鍵數學框架。 受限于本書主題范圍、篇幅容量及理論深度，部分內容在呈現(xiàn)時不可避免地進行了妥協(xié)。在電化學基礎原理、實驗測試技術及數學建模方法等具體細節(jié)層面，難以實現(xiàn)全面覆蓋。若讀者需深入了解相關內容，可參考本書所列參考文獻，或與作者直接溝通獲取進一步了解。 06 書籍目錄 1. 鋰離子電池電化學原理 1.1電池的發(fā)展史 1.2鋰離子電池材料發(fā)展史 1.3鋰離子電池熱力學原理 1.4鋰離子電池動力學原理 2. 鋰離子電池多孔電極理論 2.1多孔介質簡介 2.2多孔電極理論 2.3多孔電極的宏觀描述 2.4平均量 2.5溶質的物料守恒 2.6插層電極的物料守恒 2.7電中性和電荷守恒 2.8法拉第過程 2.9雙電層效應 2.10傳輸過程 2.11熱效應 2.12物理性質的估算 2.13總結 3. 多孔電極模型參數與表征手段 3.1存在的問題 3.2p2d模型變量與參數 3.3參數表征 3.4測量/擬合技術 3.5電極參數 3.6電解質參數 4. comsol軟件簡介及操作方法 4.1數理方程簡述 4.2電-熱多物理場仿真 4.3有限元發(fā)展的歷史 4.4基于偏微分方程的仿真建模 4.5comsol電化學模塊 4.6電池建模類型 4.7小結 4.8鋰離子電池p2d模型 4.9p2d建模操作步驟 5. 電化學-熱耦合原理與建模 5.1研究現(xiàn)狀 5.2電化學-熱耦合原理 5.3電化學模型控制方程 5.4熱模型控制方程 5.5模型參數 5.6熱物性參數計算 5.7散熱計算 5.8熱物性參數實驗 6. 鋰離子電池熱失控原理與建模 6.1鋰離子電池安全背景 6.2熱失控誘因 6.3熱失控的溫度特征 6.4熱失控過程中的反應 6.5熱失控模型構建 6.6熱失控防護措施 7. 鋰離子電池針刺原理與建模 7.1針刺測試目的 7.2針刺測試標準 7.3針刺過程機理 7.4針刺測試影響因素研究 7.5針刺模型 8. 電池異構模型仿真 8.1研究意義 8.2電極微觀結構研究方向 8.3微觀成像與結構表征 8.4隨機重構 8.5預測建模 8.6基于機器學習的設計 8.7總結與展望 9.電解液浸潤原理與建模 9.1電解液浸潤研究背景 9.2電池注液過程 9.3影響電解液浸潤的因素 9.4電解液浸潤模擬研究進展 10. 鋰離子電池鋰枝晶原理與建模 10.1鋰金屬電池鋰枝晶 10.2鋰枝晶的危害 10.3鋰枝晶的抑制方法 10.4鋰枝晶生長模型 10.5鋰枝晶檢測方法 11. 新型二次電池原理與模型 11.1電池行業(yè)發(fā)展的現(xiàn)狀 11.2電池體系的新方向簡介 11.3鈉離子電池 11.4全固態(tài)電池 11.5 結論 書籍已在拼多多及淘寶上架，歡迎各位讀者訂閱，并提出寶貴意見，感謝~ |
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