Understand, Design, and Optimize Battery Systems


Software for Modeling Electrode Kinetics, Ion Transport, Charge Conservation, Mass Transport, Fluid Flow, and Heat Transfer in 1D, 2D, and 3D


배터리 모델링은 시뮬레이션의 목적에 따라 다양한 수준의 세부 정보가 필요합니다. Battery Design 모듈은 COMSOL Multiphysics® 소프트웨어의 추가 제품으로서, 배터리의 다공성 전극과 같이 매우 세밀한 구조에서부터 열관리 시스템을 포함한 배터리 팩까지 다양한 스케일을 기술하는 것을 포함합니다.

Battery Design 모듈을 이용해서 기술할 수 있는 물리 현상들은 예를 들어, 전하 및 중성 입자의 전달현상과 전하 수지, 화학 및 전기화학 반응, 저항 가열과 전기화학 반응으로 인한 열 효과, 열전달, 유동, 그리고 배터리 시스템을 이해하기 위해 중요한 다른 물리적 현상들을 포함합니다. 또한, 이미 잘 알고 있고 확립된 배터리 시스템의 경우 물리 기반(physics-based) 또는 등가회로(equivalent circuit) 기반 집중(lumped) 모델도 사용가능 합니다.

5.6버전의 출시와 함께 Batteries & Fuel Cells 모듈의 모든 기능을 보유하면서 모듈명이 Battery Design 모듈로 변경된 점을 확인할 수 있습니다. 새로운 Fuel Cells & Electrolyzers 모듈은 연료전지와 수전해를 모델링하기 위해 사용가능 합니다.



What You Can Model with the Battery Design Module

Lithium-Ion Battery Systems

고출력/고용량 리튬이온 배터리는 휴대용 배터리로 가장 많이 사용되고 있습니다. Battery Design 모듈은 리튬이온 배터리 모델링을 위한 최신 기능을 제공하고 있습니다. 이 모듈에는 학술문헌의 최신 연구결과와 함께 이른바 뉴만(Newman) 모델이 내장되어 있습니다. 예를 들어, SEI(solid electrolyte interface) 성장, 금속 플레이팅(plating), 단락, 그리고 전해액 분해와 같은 서로 다른 노화 메커니즘이 내장되어 제공되고 있습니다. 이와 같은 신뢰성 있는 모델들이 전극 입자에 리튬 삽입을 모델링하는 준차원(pseudo-dimension)을 포함한 1D, 2D, 그리고 3D에서 지원되고 있습니다.

열전달 현상을 전기화학 반응에 추가하면, 전체적인 에너지 수지를 고려한 모델링을 제공합니다. Structural Mechanics 모듈과 연동하면 리튬 삽입으로 인한 팽창과 수축으로 인한 구조적 응력과 인장을 함께 모델링에 고려할 수도 있습니다.

전지 모델링의 최신 추세를 위해 Battery Design 모듈은 불균질 모델을 위한 기능을 내포하고 있습니다. 즉, 다공성 전극과 공극 전해질의 세부적인 구조를 배터리의 대표적인 단위 셀(unit cell)로 모델링할 수 있습니다 이러한 모델은 배터리 미세 구조의 영향을 더 깊이 이해하는 데 사용될 수 있습니다.

Lead–Acid Battery System

Battery Design 모듈은 납축전지를 시뮬레이션 하기 위한 가장 발전된 배터리 모델을 포함하고 있습니다. 이 모듈은 전해질(분리막과 공극 전해질)에서 이온 전위, 고체 전극(집전체)의 전위, 전해질의 조성, 그리고 전극의 공극률과 같은 종속변수를 포함할 수 있습니다. 이 모듈은 납축전지를 위한 열역학 및 반응속도식의 파라미터 데이터베이스도 제공하고 있습니다.

대표적인 사용으로 몇 가지 언급하면 전극과 분리막의 두께와 형상, 집전체의 형상, 전극의 공극률, 분리막의 형상 및 조성과 같은 설계 파라미터가 배터리 성능에 얼마만큼의 영향을 미치는지에 대해 연구하는 것입니다.
이와 같은 연구들은 주파수에 따른 임피던스 분광법과 전기 이중층 커패시턴스의 효과를 포함하는 시변해석도 제공하고 있습니다.

Generic Battery Systems

Battery Design 모듈에서 제공하는 핵심 모델을 사용해서 양극, 음극, 그리고 분리막을 포함한 단위 배터리 셀을 세부적으로 기술할 수 있습니다. 다공성 전극에서 공극 전해질은 분리막의 전해질과 접촉하고 있습니다.

전극의 다공성 구조에서 공극 전해질과 고체 전극물질이 모든 공간 영역에 균일하게 존재한다고 정의되어 있습니다. 그리고 liquid(공극 전해질)과 solid(전극물질)의 각 상(phase)의 특성은 부피분율(volume fraction)에 의해 결정되도록 정의되어 있습니다. 이와 함께 물질전달식, 전기화학 및 화학반응은 Electrochemical Systems 책에서 뉴만(Newman)에 의해 고안된 이른바 다공성전극 이론를 통해 고려할 수 있습니다.

다공성 전극을 일반적으로 기술하면 전극에서 여러 경쟁적인 반응을 정의할 수 있고, 임의의 전해질 조성과 연동될 수 있습니다. 이와 같은 방법은 예를 들어 Battery Design 모듈의 Application Library에 포함된 바나듐 전지 튜토리얼 모델을 통해 확인할 수 있습니다.

공극 전해질과 분리막 전해질은 농축 전해질, 희석 전해질(네른스터-플랭크 식), 지지 전해질 이론을 사용해서 어떤 전해질 조성에서도 기술될 수 있습니다.

이원(binary) 전해질이 있는 배터리를 위해 내장 기능을 제공합니다. 이를 통해 니켈-수소 전지와 니켈-카드뮴 전지를 모델링할 수 있으며, 고체 상에 예를 들어, 수소와 같은 삽입(intercalating) 물질을 고려할 수 있습니다.




Features and Functionality in the Battery Design Module

Porous Electrodes with an Arbitrary Number of Electrochemical Reactions

배터리 시스템이나 화학반응들은 전극에서 발생하는 원하지 않는 부반응에 의해 종종 부정적인 영향을 받을 수 있습니다. 이와 같은 부반응들이 충방전 사이클과 자가방전에 어떤 영향을 주는지 연구할 수 있습니다. 이를 위한 선 정의된 반응을 위한 데이터베이스를 사용할 수도 있지만, 사용자가 임의의 부반응을 전극에 추가해서 고려할 수 있습니다.

모델에 추가할 수 있는 대표적인 부반응으로 수소발생, 산소발생, SEI 성장, 금속 도금, 금속 부식 및 흑연 산화 등이 있습니다

Intercalating Species and Transport in Bimodal Pore Structures

다공성 배터리 전극의 입자들은 고체(리튬이온 전극) 또는 다공성(납축전지, 니켈-카드뮴 전지) 입자로 취급될 수 있습니다.

먼저 고체 입자의 경우, 전극의 공극은 패킹된 입자들 사이의 공간에서 발견됩니다. 그러나 수소나 리튬과 같이 매우 작은 원자들은 고체 입자 내부에서도 이동하고 반응할 수 있습니다. 이와 같은 삽입 종은 고체 입자의 반경에 따라서 각각 정의된 별도의 확산-반응 공식으로 모델링합니다. 고체 입자의 표면에서 삽입되는 종들의 플럭스(flux)는 입자 사이의 공극 전해질에서 이동된 종들과 서로 연동될 수 있습니다. 삽입하는 종들과 그 반응들은 리튬이온 배터리에서 내장되어 있지만, 동일한 기능을 예를 들어 니켈-수소 전지에서 수소의 삽입 모델링에서도 사용가능합니다.

다공성 입자의 경우, 패킹된 입자들 사이의 거시적 다공성 구조와 개별 입자 내부의 미시적 다공성 구조가 함께 존재하는, 두 가지 기공을 지는 공극 구조를 고려할 수 있습니다. 다공성 입자에서 확산-반응 공식은 고체 입자에서 종의 삽입을 정의했던 방식과 비슷한 방식으로 정의될 수 있습니다. Application Library의 니켈카드뮴 예제에서 볼 수 있습니다.

Fully Transient and Impedance Spectroscopy Studies

배터리 시스템은 종종 작동 중에 연구하기 어려운 폐쇄형 시스템입니다. 작동되고 있는 배터리 내부적 특성을 평가하기 위해, 퍼텐셜 계단(potential step), 전류 차단(current interrupt), 그리고 임피던스 분광법과 같은 과도적(transient) 방법을 사용할 수 있습니다.

과도해석(transient studies)의 기본 원리는 시간 스케일이 서로 다른 프로세스를 분리하는데 있습니다. 예를 들어, 전극반응과 확산 프로세스는 보통 서로 다른 시간 상수를 갖고 있다고 알려져 있습니다. 따라서 전극반응과 확산은 서로 다른 주파수와 시간 스케일에서 임피던스 효과를 보여줄 것입니다.

과도해석을 수행해서 배터리 노화에 영향을 줄 수도 있는 옴 손실, 전극반응, 물질이동, 그리고 그 외 여러 손실들을 서로 분리하기 위해 서로 다른 시간 스케일과 주파수 범위에서 파라미터 예측 해석을 수행할 수 있습니다. 과도 기법, 모델링 및 매개 변수 추정을 사용하여 배터리 시스템의 상태를 매우 정확하게 추정할 수 있습니다.

Simplified and Lumped Battery Systems

배터리 팩의 열해석을 위해 3D 전기화학 모델을 사용한다면 시간이 많이 걸릴 수 있습니다. 해석 시간을 줄이기 위한 대안으로서 배터리 팩을 구성하는 각각의 배터리에 검증된 집중(lumped) 또는 간소화된 모델을 적용하는 것입니다. 일단 검증이 되면, 집중 모델은 어떤 특정 (아마도 제한된) 작동 범위에서 만족할 수 있는 정확성을 제공할 수 있습니다.

Battery Design 모듈이 포함하고 있는 집중 모델은 물리 기반이며, 예를 들어 1D와 준차원(입자 차원), 0D와 준차원, 또는 등가회로모델와 같은 순수 0D 모델에서 전기화학식을 계산할 수 있습니다.

다중 구성 요소(multicomponent) 모델은 세부적인 3D 모델부터 집중 0D 모델까지 넓은 범위에서 정확성을 제공할 수 있습니다. 이러한 모델들은 한 모델 파일에서 별도의 컴포넌트로서 통합됩니다. 따라서 새로운 배터리 작동 범위에서 집중 모델이 업데이트되고 검증되면, 집중 모델을 대체하고 세부 모델을 사용하는 것이 쉽습니다.

Built-In Thermodynamic and Material Properties for Battery Systems

배터리 시스템 모델링 과정에서 시간이 오래 걸리고 에러가 발생하기 쉬운 단계들 중 하나는 입력 데이터를 모으고 일관되게 사용하는 것입니다. 예를 들어, 양극과 음극이 동일한 기준 시스템에서 정의되는 것이 중요합니다.
따라서, 양극과 음극을 하나의 배터리 시스템 모델에서 통합하기 전에 양극과 음극 각각의 평형전극(반전지)전위를 동일한 기준전극, 전해질, 그리고 온도에서 측정하고 보정해야만 합니다.

이를 위해 Battery Design 모듈은 다수의 전극 및 전해질 물질 데이터베이스를 제공하고 있기 때문에 새로운 배터리 모델을 생성할 때 필요한 작업량을 크게 줄일 수 있습니다.






















대형 리튬 이온 배터리 파우치 셀의 전류 분포 및 전극 활용. 모델은 완전 3차원 뉴만(Newman) 모델로서, 전극의 모든 지점을 4번째 차원으로서 전극 입자의 반경을 나타냅니다.

대형 리튬 이온 배터리 파우치 셀의 전류 분포 및 전극 활용. 모델은 완전 3차원 뉴만(Newman) 모델로서, 전극의 모든 지점을 4번째 차원으로서 전극 입자의 반경을 나타냅니다.


납 축전지에서 그리드 전극의 전류 밀도 및 전위 분포.

납 축전지에서 그리드 전극의 전류 밀도 및 전위 분포.


바나듐 흐름 배터리의 2D 튜토리얼 예제는 양극과 음극 전해질 각각에 대한 3차 전류분포 모델과 이온교환막에 대한 3차 전류분포 모델을 어떻게 연동할 수 있는지 보여주고 있습니다. 모델에서 총 7종류의 이온의 농도를 계산하였습니다.

바나듐 흐름 배터리의 2D 튜토리얼 예제는 양극과 음극 전해질 각각에 대한 3차 전류분포 모델과 이온교환막에 대한 3차 전류분포 모델을 어떻게 연동할 수 있는지 보여주고 있습니다. 모델에서 총 7종류의 이온의 농도를 계산하였습니다.










납축전지의 양극에서 발생하는 산소 생성 부반응을 사용자 인터페이스에 추가할 수 있습니다. 그림은 20C 방전 과정 중 시간에 따라 공극 전해질과 분리막에서의 전해액 염의 농도 분포를 보여주고 있습니다.

납축전지의 양극에서 발생하는 산소 생성 부반응을 사용자 인터페이스에 추가할 수 있습니다. 그림은 20C 방전 과정 중 시간에 따라 공극 전해질과 분리막에서의 전해액 염의 농도 분포를 보여주고 있습니다.



니켈-카드뮴 전지 모델은 다공성 미세구조에서 상세한 전기화학반응과 수소이온의 이동을 포함하고 있습니다

니켈-카드뮴 전지 모델은 다공성 미세구조에서 상세한 전기화학반응과 수소이온의 이동을 포함하고 있습니다



리튬이온 배터리의 물리-기반 (뉴만) 모델을 사용해서 AC 임피던스 분광법의 파라미터 예측을 수행한 예를 보여주고 있습니다. Battery Design 모듈은 임피던스 분광법을 내장 해석으로서 제공하고 있습니다.

리튬이온 배터리의 물리-기반 (뉴만) 모델을 사용해서 AC 임피던스 분광법의 파라미터 예측을 수행한 예를 보여주고 있습니다. Battery Design 모듈은 임피던스 분광법을 내장 해석으로서 제공하고 있습니다.



간소화된 물리-기반 전기화학 모델을 갖고 있는 리튬이온 배터리에 3차원 열전달 해석을 연동한 사례입니다. 배터리 팩의 각 단위 셀은 온도에 종속적인 간소화된 전기화학 모델로 표현될 수 있습니다

간소화된 물리-기반 전기화학 모델을 갖고 있는 리튬이온 배터리에 3차원 열전달 해석을 연동한 사례입니다. 배터리 팩의 각 단위 셀은 온도에 종속적인 간소화된 전기화학 모델로 표현될 수 있습니다



다수의 화학종에 대한 내장 데이터베이스에서 SOC에 따른 전극 포텐셜, 전해액과 전극 및 집전체에 대한 전도도를 얻을 수 있습니다.

다수의 화학종에 대한 내장 데이터베이스에서 SOC에 따른 전극 포텐셜, 전해액과 전극 및 집전체에 대한 전도도를 얻을 수 있습니다.