STAR-CCM+ Lithium Ion Battery Cell Model (3D-MSE) STAR-CCM+ 3D-MSE (3D-MSE,3D-Micro-Structural Electrochemistry) STAR-CCM+7.06 新機能 New Feature availab
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- あきとし ひでやま
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1 STAR-CCM+ Lithium Ion Battery Cell Model (3D-MSE) STAR-CCM+ 3D-MSE (3D-MSE,3D-Micro-Structural Electrochemistry) STAR-CCM+7.06 新機能 New Feature available for 7.06 Japan /11/28 CD-adapco : Fumitaka Goto
2 STAR-CCM+3D-MSE STAR-CCM+3D-MSE により 1 次元コードでは不明だった 3 次元構造による電位分布 リチウムイオン分布を可視化 パラメトリックスタディにより電池性能への活物質形状 空孔率などの影響を定量化 理想形状に加え実形状にて解析可能 既存のライセンスにて STAR-CCM+7.06B から実装される新機能 Discharge Porous Negative Separator Porous Positive Φ solid Φ liquid c Li-liquid Φ solid Li + ε neg τ neg i x ε pos τ pos ε neg τ neg ε sep N M ε pos τ pos LiCoO2 Cathode Electrochemistry Communications 12 (2010)
3 講演概要 バッテリーソフトウエアラインナップ STAR-CCM+3D-MSE, Battery Design Studio (BDS), STAR-CCM+ の対応する長さスケール 数十 mm の活物質から EV,HEV 車両全体まで解析可能 開発経緯 SAE2012 発表事例 理想的な球形活物質 University of College of London 実形状 Xray Tomography から 3D-MSE Freiburg 大実形状解析 FIB, SEM から 3D-MSE 既存の STAR-CCM+7.06B のライセンスにて使用可能に
4 バッテリー解析ソフトウエアラインナップ Solid Phase Li Concentration Solid Phase Li Concentration Current Density Vector STAR-CCM+3-Dimensional Micro-Structural Electrochemistry model STAR-CCM+ 3D-MSE 3D BDS と同様の式を用いて mm レベルの活物質粒子と電解液 セパレーター内のリチウムの拡散 電流密度 バトラーフォルマーの式による固液界面での電圧挙動などを解析 集電箔もモデル化 Scanning Electro Microscopy(SEM) などからの実形状 CAD を読み込み Battery Design Studio(BDS) 1D 単セル 半セルの充放電時の挙動を解析 厚み方向へのリチウム濃度 輸率 イオン伝導度などを表示 手動で空孔率などを SEM データなどから tbm 設定に反映 STAR-CCM+ Battery Simulation Module (BSM) 3D 複数セル モジュール パックレベルでの解析を実現 3 次元での SOC, 電流密度 分極熱 ジュール熱の分布 tbm(text battery module) と呼ばれるファイルにより電池設定が簡単に BDS から出力 BSM に入力可能
5 開発経緯 BDS よりさらに微細な電極構造の電池性能の解析のニーズ Homogeneous mean field approach following Neman`s implementation of the electrochemical equations for electrodes
6 BDS ニューマンのデュアルセルモデル (1D) BDS Newman`s Dual Cell Model (1D) 負極 Negative Electrode セパレーター Separator 正極 Positive Electrode 0 L x Electrode volume elements consist of particles. Diffusion into particles is considered. From R.Spotniz <BDS Training Manual 2010> r Diffusion of Li toward SEI
7 開発経緯 What is inside a Li-Ion Electrode? The electrodes are made of porous active materials placed in a liquid non-aqueous electrolyte - + Electrochemistry Communications 12 (2010)
8 開発経緯 Robert Spotniz.et. Al. Geometry Resolved Electro Chemistry Model of Li-ion Batteries SAE World Conference PFL / SAE International.
9 開発経緯 Robert Spotniz.et. Al. Geometry Resolved Electro Chemistry Model of Li-ion Batteries SAE World Conference PFL / SAE International. Kirchof`s law for solids
10 活物質 - 電解液間の界面 (SEI) Interface Conditions (Solid Electrolyte Interface) Local current density at solid active surface is modelled as (Buttler-Volmer relation): with c s Site concentration of solid phase (maximum possible value of c 1 ). k Rate constant R sei Solid-electrolyte-interface resistance U eq Equilibrium potential of the active material C1 concentration in solids C2 electrolyte concentration
11 開発経緯 Robert Spotniz.et. Al. Geometry Resolved Electro Chemistry Model of Li-ion Batteries SAE World Conference PFL / SAE International.
12 開発経緯 Robert Spotniz.et. Al. Geometry Resolved Electro Chemistry Model of Li-ion Batteries SAE World Conference PFL / SAE International.
13 正極活物質ジオメトリとメッシュ Model Definition - Cathode Polyhedral mesh 2.8 million cells Solid & electrolyte resolved STAR-CCM+ CAD tool 40% Porosity 14
14 負極活物質ジオメトリとメッシュ Model Definition - Anode 20mm Polyhedral mesh 1.2 million cells Solid & electrolyte resolved Anode Active Material - Graphite STAR-CCM+ CAD tool 40% Porosity 15
15 SEI 近傍のメッシュ解像度向上 Mesh Details Electrolyte Active Material Conformal Mesh Prism Layer at the SEI 16
16 集電箔 正負極 セパレータのメッシュ全体像 The full electrode to be resolved Mesh view Symmetrical boundaries on all external walls
17 SAE Word Conference 2012 発表事例
18 活物質内リチウム濃度 Robert Spotniz.et. Al. Geometry Resolved Electro Chemistry Model of Li-ion Batteries SAE World Conference PFL / SAE International.
19 固相 液相でのリチウム濃度 Li-Ion Concentration diffusion in solid phase ファイルサイズ縮小のため PDF 版ではこちら動画ではなく t=0s,soc=50% 時の静止画となりますがご了承ください
20 リチウム濃度と電解液内電位 Solid Phase Concentration Liquid Phase Electric Potential 1 min 2 min 3 min リチウムイオンが 2.8C 充電が進行するにつれ正極活物質から負極活物質へ移動 左手から SOC=50% 時を t=0s として充電開始後 1 分 2 分 3 分の状態を示す リチウムイオンの挙動に伴い 電位が上昇
21 充電時の液相内でのリチウムイオン濃度分布 Results during Charge Lithium salt concentration at 3 transient points through a charge 1 min 2 min 2 min 3D model 1D model BDS と 3D-MSE( 断面平均 ) の充電開始後 1 分 2 分 3 分での液相内リチウム濃度 両者の差は 3D-MSE では 3 次元構造による微細な変動と考えられる 23
22 産学共同の解析成果 Work Collaboration with Universities Freiburg University Heiderlberg University et.al. University of College of London
23 University of College London 様実形状 Solid Graphite 43 mm 348 mm 478 mm Electrochemistry Communications 12 (2010) D X 線トモグラフィーでの形状測定 屈曲度 比表面積 空孔率の分布 BDS へのインプットデータ化 ( 開発中 ) 理想モデル / 現実モデルの比較 BDS との比較 Location of low tortuosity, high specific surface area, average porosity
24 University College London 様の解析画像 mm 59.7 mm mm Courtesy of "P.R.Shearing, N.P.Brandon et.al; Multi Length Scale Microstructural Investigations of a Commercially Available Li-ion Battery Electrode.
25 フライブルグ大学様 LiCoO2 電極ジオメトリ LiCoO2 Electrode Geometry from U of Freiburg Courtesy of Hutzenlaub, Thiele, Zengerle, Ziegler; Three dimensional reconstruction of a LiCoO2 Li-Ion Battery Cathode; Electrochemical and Solid-State Letters, 2012
26 STAR-CCM+3D-MSE 計算向けメッシュ Computational Mesh LiCo02 Li Foil LiCoO2 Current Collector Separator Courtesy of Hutzenlaub, Thiele, Zengerle, Ziegler; Three dimensional reconstruction of a LiCoO2 Li-Ion Battery Cathode; Electrochemical and Solid-State Letters, 2012
27 STAR-CCM+3D-MSE 計算向けメッシュ Computational Mesh LiCo02 2.0mm 4.0mm 20.02mm 4.0mm mm 境界条件 0.0 V 境界条件 1.0A/m mm 12.4mm グラファイト ( 負極集電箔 ) LiCoO2 セパレーター 電解液 正極集電箔 (Al) mm mm 12.4 mm の LiMnO2 粒子と電解液のジオメトリに正極終電箔, セパレーター グラファイトを STAR-CCM+3D-MSE 上で追加し境界条件を設定 ポリヘドラルメッシュ (polyhedral mesh) を使用し 466,121 セルにてメッシュを作成
28 電極断面での電流密度 Section plane of the electrode Electric Current Density Separator Z 座標 6.2mm での断面 電解液内の流路の狭い箇所で電流密度が高い傾向 Li Foil 非常に薄いセパレータでの解析なのでリチウムの金属リチウムからのパスが短く セパレーターと電解液の接触面でも電流密度が高い傾向 Courtesy of Hutzenlaub, Thiele, Zengerle, Ziegler; Three dimensional reconstruction of a LiCoO2 Li-Ion Battery Cathode; Electrochemical and Solid-State Letters, 2012
29 リチウム / 塩濃度分布 Li-ion/Salt concentration
30 SEI 過電圧 SEI Over Potential Courtesy of Hutzenlaub, Thiele, Zengerle, Ziegler; Three dimensional reconstruction of a LiCoO2 Li-Ion Battery Cathode; Electrochemical and Solid-State Letters, 2012
31 活物質内の電流密度分布 Electric Current Density on Solid Phase Courtesy of Hutzenlaub, Thiele, Zengerle, Ziegler; Three dimensional reconstruction of a LiCoO2 Li-Ion Battery Cathode; Electrochemical and Solid-State Letters, 2012
32 まとめ 既存の STAR-CCM+ のライセンスにて使用可能に STAR-CCM+3D-MSE により 1 次元コードでは不明だった 3 次元構造による電位分布 リチウムイオン分布を可視化 パラメトリックスタディにより電池性能への活物質形状 空孔率などの影響を定量化 理想形状に加え実形状にて解析可能 既存のライセンスにて STAR-CCM+7.06B から実装される新機能 Porous Negative Discharge Separator Porous Positive Φ solid Φ liquid c Li-liquid Φ solid Li + ε neg τ neg i x ε pos τ pos ε neg τ neg ε sep N M ε pos τ pos LiCoO2 Cathode Electrochemistry Communications 12 (2010)
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1) K. J. Laidler, "Reaction Kinetics", Vol. II, Pergamon Press, New York (1963) Chap. 1 ; P. G. Ashmore, "Catalysis and Inhibition of Chemical Reactions", Butterworths, London (1963) Chap. 7, p. 185. 2)
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