COMSOL Multiphysics_在鋰-硫電池、鋰-空氣電池以及超級電容器研究中的應用.pdf

1、化學電源是典型的一類需要進行多尺度耦合分析的研究對象。宏觀上的電化學反應、物質(zhì)擴散、流體流動等過程，加上微觀上多種物質(zhì)在電極內(nèi)部的擴散和遷移作用這都需要從多尺度視角來研究化學電源內(nèi)在復雜的反應機理。新能源技術(shù)和電動汽車技術(shù)的快速發(fā)展，給高能量二次電源體系帶來了更嚴峻的挑戰(zhàn)。而鋰-硫電池、鋰-空氣電池以及超級電容器等電源體系極具誘惑的發(fā)展前景使其成為人們新的研究重點。
　　本文以鋰-硫電池、鋰-空氣電池和超級電容器為研究對象，采用有

2、限元方法（Finite Element Method），使用COMSOL Multiphysics模擬軟件對數(shù)值模型進行耦合分析，重點考慮了上述電源體系中的電化學反應、物質(zhì)傳輸和電荷傳遞等過程。模型研究了電源體系不同電流密度條件下的放電特性，以及相關(guān)結(jié)構(gòu)參數(shù)和物理化學特性參數(shù)對其放電性能的影響，最后對化學電源性能優(yōu)化提供一些建議。
　　鋰-硫電池數(shù)值模型著重修正了活性比表面積損失對放電性能的影響，研究表明多硫化物沉淀使得電極活性比

3、表面積損失會造成鋰-硫電池放電性能降低。采用形核-生長沉淀模型可以準確的模擬鋰-硫電池多硫化物沉淀過程。Li2S較大的生長速率，形核速率均有利于提高鋰-硫電池第二階段電壓平臺和放電容量。而硫單質(zhì)含量較多時，沉淀產(chǎn)物以Li2S2為主，活性物質(zhì)不能充分轉(zhuǎn)化為Li2S，會造成鋰-硫電池質(zhì)量比能量下降等問題。
　　鋰-空氣電池數(shù)值模型著重研究了不同放電電流密度下的電極內(nèi)部各參數(shù)變化情況。研究表明鋰-空氣電池電化學反應和氧氣擴散速率限制會導

4、致大電流放電電池性能嚴重衰減。通過選用合適的電解質(zhì)溶液提高氧氣溶解度可以達到降低放電極化過電勢的目的。雙孔體系鋰-空氣電池通過改善電極孔結(jié)構(gòu)可以提高氧氣的傳輸特性，降低電極內(nèi)部氧氣濃差極化的影響，極大的提高鋰-空氣電池放電容量。
　　贗電容超級電容器數(shù)值模型主要討論了兩個超級電容器模型之間的區(qū)別，研究表明：基于二元電解質(zhì)濃溶液理論建立的贗電容超級電容器模型，因考慮了金屬氧化物顆粒內(nèi)質(zhì)子擴散作用和帶電粒子不均勻分布對電勢的影響，因而