基于COMSOL《锂离子电池原理与仿真计算》新书上市啦
- 作者优秀
- 优秀教师/意见领袖/博士学历/特邀专家/独家讲师
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导读：近日，仿真秀某用户私信我，经现代出版社公开出版发行，由邱炜和测试GO团队编著的《锂离子电池原理与仿真计算》即将全面上市。于是我联系到他，并邀约他近日在仿真秀官网和APP做一期图书线上分享会。他欣然同意，目前正在筹备中。以下内容来自《锂离子电池原理与仿真计算》图书。
一、锂离子电池仿真现状
从1800年亚历山大·伏打发明了人类历史上的第一颗电池至今的225年，人类对电池理论的研究和理解达到了前所未有的地步。与此同时，有限元理论的发展以及计算机技术的突破，推动了数值仿真在电池领域中的快速应用。相比于依靠单一物理场的简化计算或传统的经验模式，数值仿真在处理现实世界中复杂多物理场问题时，展现出更高的精确度、更快的计算速度及更低的成本。
现在，人们可以轻易地运用电化学P2D模型计算出电池的电位、电流、电解液中的盐浓度和温度分布，这些信息能够帮助电池研发人员进行设计优化和改进，加快研发进度。在锂离子电池研究领域，数值仿真技术正日益成为解决电池动力学相关问题的有力手段，并逐渐获得广泛认可，成为锂离子电池科研探索与工业应用领域中不可或缺的重要工具。
二、什么是P2D模型
锂离子电池动力学涉及界面电化学反应，液相离子传输以及固相电子传导等多个环节，这是一个多相和多界面的复杂过程。同时，电池内部的多孔结构和多种组分的混合，使得准确描述每一步骤的速率变得十分困难。如何准确描述锂离子电池过程动力学，进而有效预测电池的性能，成为科研人员努力研究的方向。在20世纪60年代，加州大学的John S. Newman教授就开始着手研究锂离子电池动力学的问题，并根据其研究理论进行了数值建模。直到今天，电池研发人员依然采用Newman教授开发的多孔电极理论和P2D（伪二维）模型进行电池开发和性能预测，并逐渐成为了一种流行趋势。这也从另一个角度说明了数值仿真和Newman理论的重要性。
图1.电化学工程之父：John S.Newman
为了对锂离子电池这样一个复杂的问题进行理论分析，Newman等人建立一个模型来捕捉实际电极的基本特征。这个模型不需要深入到电极的每一个几何细节，但能够捕捉到影响电极性能的关键因素。此外，模型中的参数应该能够通过相对简单的物理测量来获得，以便我们能够在实验和理论之间进行有意义的比较。例如，对于任意、随机结构的多孔材料，我们可以通过测量其孔隙率、单位体积的平均表面积以及体积平均电阻率等参数来表征其性质。同样地，我们也可以使用体积平均电阻率来描述空隙中电解质的性质。为了简化分析过程并捕捉电极性能的关键特征，我们可以采用一个合适的模型。这个模型将涉及电极的某一小区域内各种变量的平均值。这个区域相对于电极的整体尺寸来说很小，但与孔隙结构相比则相对较大。这样做的好处是我们可以将复杂的电极过程简化为一个更易于处理的形式，同时仍然能够捕捉到影响电极性能的关键因素。
1、P2D模型假设
（1）极片结构在锂离子电池的各个位置处性质均相同；
（2）正极涂层与负极涂层颗粒为均匀的球体颗粒；
（3）隔膜为具有均匀孔隙的多孔结构；
（4）正、负极球形颗粒和隔膜孔隙中填充满电解液；
（5）电池在充放电过程中无副反应发生；
（6）忽略电解液的对流效应；
（7）锂离子扩散遵循菲克定律；
（8）不考虑颗粒膨胀等；
通过对锂离子电池进行模型抽象，我们就可以运用偏微分方程逐一描述各个动力学步骤。
2、控制方程描述
（1）锂离子电池固相扩散方程
（2）锂离子电池液相扩散方程
（3）固相电势分布方程
（4）液相电势分布方程
（5）Butler-Volmer方程
通过以上5个方程联立求解，即可得到电池各处的固相电势
、液相电势
、锂离子浓度
三个因变量（以及扩展维度下的固相锂离子浓度
），进而求得电化学性能相关的各物理量的分布情况。以上内容节选自笔者编著《锂离子电池原理与仿真计算》专业图书，近日将在线上书店正式上市，欢迎读者朋友关注。
四、《锂离子电池原理与仿真计算》讲了什么
1、图书的主要内容
书中第1章描述了锂离子电池的发展历史及其原理，其中原理部分包含了热力学和动力学的基础知识。虽然本书的重点在于介绍锂离子电池的动力学过程，但鉴于电池热力学的重要性，以及动力学的研究以热力学为基础的事实，本章依然把热力学作为一个重点小节进行单独介绍。
第2章则介绍了Newman多孔电极理论，详细阐述了多孔电极理论的思维框架，加深读者对多孔电极理论的理解。
第3章重点介绍了多孔电极模型参数与表征手段，让读者了解P2D模型的常用参数（如极片孔隙率、颗粒粒径、反应速率常数、扩散系数和电导率等）及各参数的实验获取方法，以便读者能够自行搭建仿真模型。在收集到仿真所需参数之后，通过商业有限元软件，如第4章介绍的COMSOL Multiphysics进行模型搭建和数值求解。
第5章至第11章则介绍了锂离子电池常见的应用场景，涉及电、热、力、安全和工艺相关内容，重点阐述了每个方向的研究现状、成果和建模的过程，旨在激发读者运用模型思维解决实际问题的能力。
2、涵盖的新技术应用
（1）基于机器学习的设计
书中展示了基于机器学习的设计思路——基于粒子聚集结构的高通量物理化学模型，并构建了包括粒子体积分数、粒子半径等工艺参数与电池性能之间关系的数据库。接着，通过人工神经网络（ANN）使用工艺参数作为预测因子来预测电阻。通过贝叶斯优化找到优化的电极结构和工艺参数。
（2）固态电池模型简介
P2D模型框架下的控制方程普遍适用于处理包含二元及单离子导电电解质的系统。这些方程聚焦于活性材料内部的物质传输与电势分布，直接关联到电荷平衡、双电层充电机制以及电化学反应过程。关键参数包括交换电流密度i0（其值受浓度影响）、过电位ηi、开路电位（OCP）、比表面积as以及有效电导率σs,eff。全固态电池（ASSB）模型与经典二元液相锂离子电池模型的主要差异体现在电解质浓度cl和电势φl的计算上。针对这一特定需求，分别为二元和单离子导电电解质体系推导了相应的方程。这些方程是理解ASSB内部电化学过程动态变化的关键。
上图具有二元电解质（上方）和单离子导电电解质（下方）的锂离子电池单元中的过程概述。
由于本书的主题、篇幅和深度的限制，书中涉及的部分内容不可避免的进行了妥协。在电化学原理、测试方法和建模等细节上，无法做到面面俱到。如果读者对此感兴趣，可以查阅书中引用的文献资料或联系本书作者，获取进一步了解。
3、内容预览
4、书籍的目录
第一章：锂离子电池电化学原理
1.1电池的发展史
1.2锂离子电池材料发展史
1.3锂离子电池热力学原理
1.4锂离子电池动力学原理
第二章：锂离子电池多孔电极理论
2.1多孔介质简介
2.2多孔电极理论
2.3多孔电极的宏观描述
2.4平均量
2.5溶质的物料守恒
2.6插层电极的物料守恒
2.7电中性和电荷守恒
2.8法拉第过程
2.9双电层效应
2.10传输过程
2.11热效应
2.12物理性质的估算
2.13总结
第三章：多孔电极模型参数与表征手段
3.1存在的问题
3.2P2D模型变量与参数
3.3参数表征
3.4测量/拟合技术
3.5电极参数
3.6电解质参数
第四章：COMSOL软件简介及操作方法
4.1数理方程简述
4.2电-热多物理场仿真
4.3有限元发展的历史
4.4基于偏微分方程的仿真建模
4.5COMSOL电化学模块
4.6电池建模类型
4.7小结
4.8锂离子电池P2D模型
4.9 P2D建模操作步骤
第五章：电化学-热耦合原理与建模
5.1研究现状
5.2电化学-热耦合原理
5.3电化学模型控制方程
5.4热模型控制方程
5.5模型参数
5.6热物性参数计算
5.7散热计算
5.8热物性参数实验
第六章：锂离子电池热失控原理与建模
6.1锂离子电池安全背景
6.2热失控诱因
6.3热失控的温度特征
6.4热失控过程中的反应
6.5热失控模型构建
6.6热失控防护措施
第七章：锂离子电池针 刺原理与建模
7.1针 刺测试目的
7.2针 刺测试标准
7.3针 刺过程机理
7.4针 刺测试影响因素研究
7.5针 刺模型
第八章：电池异构模型仿真
8.1研究意义
8.2电极微观结构研究方向
8.3微观成像与结构表征
8.4随机重构
8.5预测建模
8.6基于机器学习的设计
8.7总结与展望
第九章：电解液浸润原理与建模
9.1电解液浸润研究背景
9.2电池注液过程
9.3影响电解液浸润的因素
9.4电解液浸润模拟研究进展
第十章：锂离子电池锂枝晶原理与建模
10.1锂金属电池锂枝晶
10.2锂枝晶的危害
10.3锂枝晶的抑制方法
10.4锂枝晶生长模型
10.5锂枝晶检测方法
第十一章：新型二次电池原理与模型
11.1电池行业发展的现状
11.2电池体系的新方向简介
11.3钠离子电池
11.4全固态电池
11.5 结论
五、欢迎加入图书交流群
《锂离子电池原理与仿真计算》即将全面上市，欢迎各位读者订阅，并提出宝贵意见，即日起，仿真秀联合邱炜老师开通图书用户交流群—comsol仿真技术交流群，欢迎大家来群里与作者交流，领取COMSOL相关学习资料，还可以参加图书用户交流会。
来源：仿真秀App
