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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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)

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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

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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

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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

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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

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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

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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?

+

-

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開発経緯

Robert Spotniz .et. Al. “Geometry Resolved Electro Chemistry Model of Li-ion Batteries “ SAE World Conference 2012.

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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.

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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):

c_s – Site concentration of solid phase (maximum possible value of c₁).

k – Rate constant

R_sei – Solid-electrolyte-interface resistance U_eq – Equilibrium potential of the active material

C1 – concentration in solids C2 – electrolyte concentration

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開発経緯

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開発経緯

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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

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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

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SEI近傍のメッシュ解像度向上 Mesh Details

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Conformal Mesh Prism Layer at the SEI

Active Material Electrolyte

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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

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活物質内リチウム濃度

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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。

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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。

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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。

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産学共同の解析成果

Work Collaboration with Universities

Freiburg University

Heiderlberg University et.al.

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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 Electrochemistry Communications 12 (2010) 374–377 348 mm 478 mm 43 mm Solid Graphite

Location of low tortuosity, high specific surface area, average porosity

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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

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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

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STAR-CCM+３D-MSE計算向けメッシュ Computational Mesh – LiCo02

Current Collector

Separator Li Foil

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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 _20.02_m_m 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

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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

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リチウム/塩濃度分布 Li-ion/Salt concentration

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SEI 過電圧

SEI Over Potential

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活物質内の電流密度分布

Electric Current Density on Solid Phase

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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 Electrochemistry Communications 12 (2010) 374–377