STAR-CCM+ Lithium Ion Battery Cell Model...

STAR-CCM+ 3D-MSE (3D-MSE,3D-Micro-Structural Electrochemistry)

STAR-CCM+7.06新機能

New Feature available for 7.06

Japan 2012

STAR-CCM+ Lithium Ion Battery Cell Model (3D-MSE)

2012/11/28 CD-adapco : Fumitaka Goto

STAR-CCM+３D-MSE

Discharge

ix

cLi-liquid

Li+

Porous

Negative Porous

Positive Separator

Φsolid

Φliquid

εpos τpos

εneg τneg

Φsolid

εneg

τneg

εpos

τpos

εsep

NM

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

LiCoO2 Cathode Electrochemistry Communications 12 (2010) 374–377

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

バッテリー解析ソフトウエアラインナップ

10-0 10-2 10-4 10-6 10-8 10-10

Battery Design Studio(BDS)

STAR-CCM+ Battery

Simulation Module (BSM)

1D

3D

STAR-CCM+ 3D-MSE

3D

STAR-CCM+3-Dimensional

Micro-Structural

Electrochemistry model

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

Solid Phase Li Concentration

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

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

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。

手動で空孔率などをSEMデータなどからtbm設定に反映

Solid Phase Li Concentration

Current Density Vector

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

開発経緯

Homogeneous mean field approach following Neman`s implementation of the electrochemical equations for electrodes

BDSニューマンのデュアルセルモデル（１D）

x

r

負極 Negative

Electrode

セパレーター Separator

正極 Positive

Electrode

Electrode volume elements consist of particles.

Diffusion into particles is considered.

From R.Spotniz <BDS Training Manual 2010>

0 L

Diffusion of Li toward

SEI

BDS Newman`s Dual Cell Model （１D）

The electrodes are made of porous active materials placed in a liquid

non-aqueous electrolyte

開発経緯

What is inside a Li-Ion Electrode?

+ -

Electrochemistry Communications 12 (2010) 374–377

開発経緯

Robert Spotniz .et. Al. “Geometry Resolved Electro Chemistry Model

of Li-ion Batteries “ SAE World Conference 2012. 12PFL-

00551/2012-01-0663. SAE International.

開発経緯

Robert Spotniz .et. Al. “Geometry Resolved

Electro Chemistry Model of Li-ion Batteries

“ SAE World Conference 2012. 12PFL-


Kirchof`s law for solids

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):

cs – Site concentration of solid phase

(maximum possible value of c1).

k – Rate constant

Rsei

– Solid-electrolyte-interface resistance

Ueq

– Equilibrium potential of the active material C1 – concentration in solids C2 – electrolyte concentration

with

開発経緯





14

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

15

負極活物質ジオメトリとメッシュ

Model Definition - Anode

Polyhedral mesh

1.2 million cells

Solid & electrolyte resolved

STAR-CCM+ CAD tool

40% Porosity

Anode Active Material - Graphite

２０mｍ

SEI近傍のメッシュ解像度向上

Mesh Details

16

Conformal Mesh

Prism Layer at the SEI

Active Material

Electrolyte

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

SAE Word Conference 2012 発表事例

活物質内リチウム濃度





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。

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。

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

23

3D model

1D model

1 min

2 min

2 min

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。

産学共同の解析成果

Work Collaboration with Universities

Freiburg University

Heiderlberg University et.al.

University of College of London

University of College London様実形状

3D 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


348 mm

478 mm

43 mm

Solid Graphite

Location of low tortuosity, high specific

surface area, average porosity

University College London様の解析画像

Courtesy of "P.R.Shearing, N.P.Brandon et.al; Multi Length Scale Microstructural Investigations of a

Commercially Available Li-ion Battery Electrode.

238.8 mm

238.8 mm

59.7 mm

Courtesy of “Hutzenlaub, Thiele, Zengerle, Ziegler; Three

dimensional reconstruction of a LiCoO2 Li-Ion Battery

Cathode; Electrochemical and Solid-State Letters, 2012”

フライブルグ大学様 LiCoO2 電極ジオメトリ

LiCoO2 Electrode Geometry from U of Freiburg

STAR-CCM+３D-MSE計算向けメッシュ

Computational Mesh – LiCo02




Current

Collector

Separator

Li Foil

LiCoO2

STAR-CCM+３D-MSE計算向けメッシュ

Computational Mesh – LiCo02

20.02 mm ×18.13 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。

2.0mm 4.0mm 20.02mm

セパレーター

LiCoO2 電解液

正極集電箔 (Al)

20.02mm 12.4mm

18.13 mm

4.0mm

境界条件1.0A/m2

境界条件0.0 V

グラファイト

(負極集電箔)

Please contact the author

Tobias Hutzenlaub et.al. Laboratory for MEMS

Applications, Department of Microsystems

Engineering - IMTEK, University of Freiburg,

Georges-Koehler-Allee 106, D-79110 Freiburg,

Germany

If anyone would like to obtain 2D SEM images.

電極断面での電流密度 Section plane of the electrode – Electric Current Density




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。

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。

Separator

Li Foil

リチウム/塩濃度分布

Li-ion/Salt concentration

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”

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”

まとめ

Discharge

ix

cLi-liquid

Li+

Porous

Negative Porous

Positive Separator

Φsolid

Φliquid

εpos τpos

εneg τneg

Φsolid

εneg

τneg

εpos

τpos

εsep

NM

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

LiCoO2 Cathode

既存のSTAR-CCM+のライセンスにて使用可能に


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