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COMSOL Multiphysics® 6.0 リリースハイライト

バッテリデザインモジュールのアップデート

バッテリデザインモジュールのユーザー向けに, COMSOL Multiphysics® バージョン6.0 では, リチウムイオン電池のモデリングにインターカレーションひずみ, 応力定式化および定義済み多孔質導電バインダードメイン, さらに充電, 放電サイクルのイベントシーケンスが追加されています. バッテリデザインのアップデートについては, 以下をご覧ください.

吸着, 脱着種

既存の電極表面境界条件のモデリング機能が拡張され, 表面サイトの占有率と吸着種の表面濃度を追跡する定義済み方程式のセットが追加されました. 新しい吸着, 脱着種セクションでは, 電極表面での吸脱着速度と熱力学を, マルチステップの電気化学反応と組み合わせてモデル化することができます.

A through-hole model showing the concentration variation in the Rainbow color table.
銅蒸着後のスルーホールビアの変形したジオメトリでの濃度変化.

A closeup view of the Model Builder with the Electrode Surface node highlighted, the corresponding Settings window, and a through-hole model in the Graphics window.
電極表面設定ウィンドウでの吸着, 脱着プロセスの定義に関する新しいセクション. 非ファラデー反応の設定には, 吸着脱離プロセスの反応速度式が含まれています.

リチウムのインターカレーションによる応力と歪み

グラファイトなどの電極材料にリチウムがインターカレーションすることで, リチウムイオン電池の電極は充放電サイクルの中で膨張, 収縮を繰り返します. この膨張, 収縮により, 電極に応力やひずみが発生するのです. 最終的には, この応力やひずみによって電極に亀裂が発生し, 電池の性能が低下することがあります. 固体力学インターフェースでは, 新機能インターカレーション歪みを使って, 与えられた電極設計の応力と歪みを推定し, その推定値を用いて電極の経時劣化や経年変化を計算することができます. この新機能は, 異種NMC電極, 異種リチウムイオン電池チュートリアルモデルで確認できます.

The stress shown in a battery electrode's microstructure in the Rainbow color table.
電池電極の微細構造におけるフォン・ミーゼス応力.

A closeup view of the Model Builder with the Intercalation Strain node highlighted, the corresponding Settings window, and an NMC electrode model in the Graphics window.
ハイライトされたインターカレーション歪みノードとその設定ウィンドウが表示されたUI.

事前定義された多孔質導電性バインダードメイン

リチウムイオン電池の電極には, 異なる電極材料や集電体をつなぎ合わせるためにバインダーが使用されています. 新機能の多孔質導電性バインダーでは, 対応する結合ドメインに均質化された特性を割り当てると同時に, 高精度な不均質化手法を用いて電極粒子を定義することが可能です. 異種NMC電極, 異種リチウムイオン電池チュートリアルモデルは, この新機能を使用しています.

A closeup view of the Model Builder with the Porous Conductive Binder node highlighted, the corresponding Settings window, and an NMC electrode model in the Graphics window.
グラフィックウィンドウでのハイライトされた多孔質導電性バインダーのドメインノードと, それに対応する設定と選択項目.

マルチステップ充放電サイクルのイベントシーケンス

イベントインターフェースを使用する場合, サイクル内の状態(電圧または電流など), 終了条件, またはシーケンス内のステップの継続時間のみを定義する必要があります. モデル内の境界条件やドメイン設定を制御する状態変数は, 異なる状態間の遷移に対応した形で自動的に生成されます. この新しいアップデートは, チュートリアルモデル多孔質電極を備えた電気化学キャパシターで見ることができます.

A closeup view of the Model Builder with the Sequence Member node highlighted, the corresponding Settings window, and a 1D plot in the Graphics window.
モデルツリーでは, 定電流ステップの後に定電圧ステップを行い, 最後に休息ステップを行うというシーケンスを示しています. 図では, 3種類の充放電サイクルシーケンスを示しています.

新しいリチウムイオン電池, 変形ジオメトリマルチフィジックスインターフェース

新しいリチウムイオン電池, 変形ジオメトリマルチフィジックスインターフェースを使用すると, 電流密度分布と, 金属の堆積と溶解によるリチウム金属電極の変形を自動的に結合させることができます. このカップリングは, 濃度, 溶液ベースの電解質輸送と, 移動メッシュをモデル化する機能を組み合わせて, 充電および放電サイクル中のジオメトリ変化を考慮したものです. この新しいインターフェースは, チュートリアルモデル変形を伴うリチウムメッキでご覧いただけます.

The COMSOL Multiphysics UI showing the Model Builder with the Electrode Surface node highlighted, the corresponding Settings window, and an array of results in the Graphics window.
上のプロットの下部に位置するリチウム電極のジオメトリの変化は, リチウム金属電極の厚みが大きくなっていることを表しています.

ブリンクマン方程式インターフェースでの多孔質すべり

多孔質媒体中の流れの境界層は非常に薄く, ブリンクマン方程式モデルで求解するのは実用的ではない場合があります. 新しい多孔質すべり壁処理機能を使用すると, 境界層における完全な流れプロファイルを求解することなく, 壁を考慮することができます. その代わりに, 表面で応力条件が適用され, 境界層速度プロファイルの漸近解を利用することで, バルク流れで適切な精度が得られます. この機能は, ブリンクマン方程式インターフェースの設定ウィンドウで有効にし, デフォルトの壁条件に使用されます. この新機能は, ブリンクマン方程式で記述される地下流を含み, モデルドメインが大きいほとんどの問題で使用することができます.

A porous reactor model showing the flow and concentration in the Rainbow color table.
多孔質反応器モデルの流動場と濃度場.

A closeup view of the Model Builder with the Brinkman Equations node highlighted, the corresponding Settings window, and a porous reactor model in the Graphics window.
多孔質すべりオプションは, ブリンクマン方程式インターフェースの設定ウィンドウで利用可能です.

多孔質媒体での熱伝達

多孔質媒体における熱伝達の機能が改良され, ユーザーにとってより使いやすくなりました. 熱伝導ブランチに多孔質媒体フィジックスエリアが追加され, 多孔質媒体での熱伝導, 局所熱非平衡, 充填床での熱伝導インターフェースが含まれるようになりました. これらのインターフェースはすべて似たような機能ですが, 違いは, これらのインターフェース内のデフォルトの多孔質媒体ノードが, 3つのオプション(局所熱平衡, 局所熱非平衡, 充填層)のうち1つを選択していることです. 後者のオプションは前述のとおりで, 局所熱非平衡インターフェースがマルチフィジックスカップリングに取って代わり, 1つは流体相用, もう1つは固相用の2つの温度モデルに対応します. 典型的な用途は, 液相での強い対流と, 金属発泡体のように固相での高い伝導のために, 多孔質媒体の急速な加熱または冷却を伴う可能性があります. 局所熱平衡インターフェースを選択すると, 新たな平均化オプションが利用でき, 多孔質媒体の構成に応じて有効熱伝導率を定義することができます.

また, 3種類の多孔質媒体の均質化された量に対して, 後処理変数が統一された方法で利用できます. これらの既存のチュートリアルモデルで, 新しく追加された多孔質媒体をご覧ください:

A closeup view of the Model Builder with the Porous Medium node highlighted and the corresponding Settings window.
局所熱平衡状態にある多孔質媒体の有効熱伝導率を定義するオプション.

A closeup view of the Model Builder with the Porous Medium highlighted and the corresponding Settings window.
多孔質媒体の種類のオプションが, 多孔質媒体機能から選択できるようになりました.

非等温反応流

非等温反応流モデルを自動的に設定する非等温反応流マルチフィジックスインターフェースが追加されました. 反応流のマルチフィジックスカップリングに, 化学と熱伝達のインターフェースを結合するオプションが追加されました. この結合を使用すると, 相変化のエンタルピーやエンタルピー拡散項などの熱と種の方程式間の相互寄与がモデルに含まれます. また, さまざまな量や材料特性の温度, 圧力, 濃度依存性も自動的に考慮され, 対応する定義済み変数を使用して熱およびエネルギーのバランスを実行することが可能になります.

A tubular reactor model showing the temperature distribution in the Rainbow and Heat Camera color tables.
管状反応器内の温度分布.

多孔質媒体中の非等温流

新しい非等温流, ブリンクマン方程式マルチフィジックスインターフェースは, 多孔質媒体内の熱伝達と流体の流れの間の結合を自動的に追加します. これは, 多孔質媒体での熱伝達とブリンクマン方程式のインターフェースを組み合わせたものです.

A porous structure showing the temperature in the Heat Camera color table.
チュートリアルの例題, 多孔質媒体中の自由対流は, 新しい非等温流体機能を利用したものです. 温度勾配とそれに続く自由対流を受ける多孔質構造内の温度(K).

多孔質材料の取り扱いを大幅に改善

多孔質材料は, 多孔質材料ノードの相特性テーブルで定義されるようになりました. さらに, 固体と流体のフィーチャーにサブノードを追加し, 各相に複数のサブノードを定義することができます. これにより, 材料特性や設定を重複させることなく, 流体流れ, 化学種輸送, 熱伝達に1つの同じ多孔質材料を使用できるようになりました. この新しいアップデートは, モノリシックリアクターでのNOx削減チュートリアルモデルでご覧いただけます.

A closeup view of the Model Builder with the Porous Material node highlighted, the corresponding Settings window, and a packed-bed reactor model in the Graphics window.
多孔質材料での新しい材料ノードが, 充填床のマルチスケールモデルで例証されています.

新規およびアップデートされたチュートリアルモデル

COMSOL Multiphysics® バージョン 6.0 では, バッテリデザインモジュールに新しいチュートリアルモデルが追加, 更新されました.

異種NMC電極

The stress shown in a battery electrode's microstructure in the Rainbow color table.
電池電極の微細構造におけるフォン・ミーゼス応力.

アプリケーションライブラリタイトル:

nmc_electrode_heterogenous

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不均質電極モデルの均質化

The lithium concentration and ionic current in a heterogenous NMC electrode model.
不均質なNMC電極におけるリチウム濃度とイオン電流.

アプリケーションライブラリタイトル:

nmc_electrode_homogenization

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多孔質電極を備えた電気化学キャパシター

A closeup view of the Porous Matrix Double Layer Capacitance node Settings window and a 1D plot in the Graphics window.
電気化学キャパシターにおける多孔質電極内の電流分布と電極利用率の1次元チュートリアルモデル. ネルンストプランク方程式は, 二元電解質の拡散と移動による輸送をモデル化するために使用され, 屈曲度と多孔性のパラメーターを使用して, 多孔質電極の有効な輸送パラメーターを導出します.

アプリケーションライブラリタイトル:

electrochemical_capacitor_porous_electrodes

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電気化学キャパシターにおける寄生反応

A closeup view of the Porous Electrode Reaction node Settings window and a 1D plot in the Graphics window.
このモデルは, 水系電解質を用いた電気化学キャパシターの性能と自己放電に対する酸素と水素の生成および再結合の影響を示しています.

アプリケーションライブラリタイトル:

electrochemical_capacitor_side_reactions

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変形を伴うリチウムめっき

The COMSOL Multiphysics UI showing the Model Builder with the Electrode Surface node highlighted, the corresponding Settings window, and an array of results in the Graphics window.
固体リチウム金属電極 (下部境界) と多孔質対電極 (上部長方形ドメイン) を備えた電解質の電流と電位分布. リチウムは下部境界に堆積し, 電解質を圧搾し, 初期状態で下部境界に存在する小さな表面欠陥を拡大させます. 電流逆充電方式を使用することで, 金属突起の成長を抑制することができます.

アプリケーションライブラリタイトル:

lithium_plating_with_deformation

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