COMSOL Multiphysics_在鋰-硫電池、鋰-空氣電池以及超級(jí)電容器研究中的應(yīng)用.pdf

1、化學(xué)電源是典型的一類需要進(jìn)行多尺度耦合分析的研究對(duì)象。宏觀上的電化學(xué)反應(yīng)、物質(zhì)擴(kuò)散、流體流動(dòng)等過程，加上微觀上多種物質(zhì)在電極內(nèi)部的擴(kuò)散和遷移作用這都需要從多尺度視角來研究化學(xué)電源內(nèi)在復(fù)雜的反應(yīng)機(jī)理。新能源技術(shù)和電動(dòng)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(yán)峻的挑戰(zhàn)。而鋰-硫電池、鋰-空氣電池以及超級(jí)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(diǎn)。
　　本文以鋰-硫電池、鋰-空氣電池和超級(jí)電容器為研究對(duì)象，采用有

2、限元方法（Finite Element Method），使用COMSOL Multiphysics模擬軟件對(duì)數(shù)值模型進(jìn)行耦合分析，重點(diǎn)考慮了上述電源體系中的電化學(xué)反應(yīng)、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(xué)特性參數(shù)對(duì)其放電性能的影響，最后對(duì)化學(xué)電源性能優(yōu)化提供一些建議。
　　鋰-硫電池?cái)?shù)值模型著重修正了活性比表面積損失對(duì)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(huì)造成鋰-硫電池放電性能降低。采用形核-生長(zhǎng)沉淀模型可以準(zhǔn)確的模擬鋰-硫電池多硫化物沉淀過程。Li2S較大的生長(zhǎng)速率，形核速率均有利于提高鋰-硫電池第二階段電壓平臺(tái)和放電容量。而硫單質(zhì)含量較多時(shí)，沉淀產(chǎn)物以Li2S2為主，活性物質(zhì)不能充分轉(zhuǎn)化為L(zhǎng)i2S，會(huì)造成鋰-硫電池質(zhì)量比能量下降等問題。
　　鋰-空氣電池?cái)?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(xué)反應(yīng)和氧氣擴(kuò)散速率限制會(huì)導(dǎo)

4、致大電流放電電池性能嚴(yán)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(dá)到降低放電極化過電勢(shì)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(jí)電容器數(shù)值模型主要討論了兩個(gè)超級(jí)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(jí)電容器模型，因考慮了金屬氧化物顆粒內(nèi)質(zhì)子擴(kuò)散作用和帶電粒子不均勻分布對(duì)電勢(shì)的影響，因而