在 COMSOL Multiphysics^®中模拟固态电池

你是否也经历过这些烦恼：正准备出门，却发现忘了给手机充电；或者正在路上，突然想起电动汽车需要充电。固态电池一旦应用于电动汽车、电子设备和储能系统，诸如此类的问题将彻底成为历史。固态电池不仅有望实现充电更快、续航更长，还具备更高的安全性。仿真技术能够帮助电池设计师深入研究固态电池，更准确地预测其在未来应用中的性能表现。

固态电池：一项备受期待的技术

固态电池（Solid-state batteries，SSB）采用固态电解质在电极间传导离子，而传统电池则使用液态电解质或凝胶聚合物。这种差异使得固态电池相较于锂离子电池具备诸多优势，例如更长的使用寿命。当前电动汽车电池的使用寿命通常为 5–8 年，而固态电池可将寿命延长至 15–20 年。此外，常规的锂离子电池在 1000 次充放电后性能衰减明显，固态电池则能在 5000 次充放电循环后仍保持 90% 的初始容量（参考文献 1）。

固态电池应用于电动汽车意味着更短的充电等待时间。照片来自 Haberdoedas， 发布在Unsplash.

固态电池的充电速度也远超其他类型的电池。普通锂离子电池充电至 80% 的电量大约需要 45 分钟，而固态电池充电到相同电量仅需 12 分钟，甚至最短只需 3 分钟。固态电池的安全性也更高——由于不含液态电解质，其可燃性和挥发性远低于其他电池。此外，通过避免使用液态电解质和碳阳极，它们还能提供更高的能量存储密度（参考文献 1）。

跨越数十年的设计挑战

固态电解质最早是由物理学家迈克尔·法拉第于19 世纪 30 年代初发现的，其工作原理与潜在应用从那时起就成为研究焦点。时间快进至21世纪20年代，众多汽车制造商、电子企业和研究机构正将大量研发资源投入到固态电池领域。然而，电池的研究和设计是一个成本高昂且资源密集的过程，仿真技术可协助开发者研究和探索在不同工况和应用场景下的设计难题。

固态电池会受到锂化现象的影响，在这一过程中，电池固态组件内的电极会发生膨胀和收缩，从而产生机械应力。此外，在充放电过程中电池内部离子的迁移同样会导致应力与体积变化。这些问题可能会缩短电池寿命、降低储能效率，甚至导致机械故障。

多物理场建模和仿真可用于分析固态电池的设计。在固态电芯的异构模型教程模型中，我们将带您了解在 COMSOL Multiphysics^®软件中的建模过程。

在 COMSOL Multiphysics® 中模拟固态电池

固态电芯异质模型的教程模型模拟了固态电池的充放电循环，重点研究了电荷和质量传输与固体力学之间的相互作用。该模型的几何结构由复合正极、锂金属负极以及位于两个电极之间的固态电解质隔膜组成。

固态电池模型的几何结构。

软件中内置的专用物理场接口与功能使模型设置简单直观。通过锂离子电池，固体传递,以及固体力学接口，可分别实现电荷守恒、质量守恒与动量守恒的建模。此外，软件还提供专门的功能用于模拟：

• 负极金属锂的沉积与溶解
• 正极的膨胀与收缩
• 电极-固态电解质界面处的氧化还原反应

COMSOL Multiphysics^®中的固态电池模型与物理场的设置。

异质固态电池的模拟对充电结束时的若干物理量进行了评估，包括固态电解质中的电势、离子电势及 von Mises 应力。

固态电解质中的电势（左）、正极浓度（中）以及应力（右）。

模拟结果还包括对全局量的评估，包括电池电压、充电状态以及z方向的应力。

为固态电池的发展铺平道路

借助仿真技术研究固态电池的力学特性，可帮助研究人员、汽车制造商及电子企业在未来几年（而非几十年）将固态电池整合到零部件与设备中。

点击下方按钮，亲自动手尝试固态电芯异质模型的建模与仿真。我们也建议您为电池仿真配备以下 COMSOL Multiphysics^®附加产品：电池模块、CAD导入模块、结构力学模块以及非线性结构材料模块。

扩展阅读

• 模拟电化学阻抗谱中的非理想行为
• 电池组热蔓延仿真
• 如何在电池模型中定义载荷循环

参考文献

1. Shang et al., “A comprehensive review of solid-state lithium batteries: Fast Charging characteristics and in-operando diagnostics,”Nano Energy, vol. 142, part B, 2025. Doi: 10.1016/j.nanoen.2025.111232