JP7651911B2 - Computer program, simulation method, and simulation device - Google Patents
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Description
本発明は、コンピュータプログラム、シミュレーション方法、及びシミュレーション装置に関する。 The present invention relates to a computer program, a simulation method, and a simulation device.
近年、パーソナルコンピュータ、携帯電話機、電気自動車などの様々な装置やシステムにおいて、電池の需要が増大している。このような用途に用いられる電池には、軽量かつ高いエネルギー密度が要望される。 In recent years, the demand for batteries has been increasing in various devices and systems such as personal computers, mobile phones, and electric vehicles. Batteries used in such applications are required to be lightweight and have high energy density.
上記要望に対して、リチウム金属を負極に用いたリチウム金属電池が注目されている。リチウムは密度が低く、標準還元電位も非常に低いので、軽量かつ高エネルギー密度電池の電極材料として注目されている(例えば、特許文献1を参照)。 In response to the above demands, lithium metal batteries that use lithium metal in the negative electrode have attracted attention. Lithium has a low density and a very low standard reduction potential, so it has attracted attention as an electrode material for lightweight, high-energy density batteries (see, for example, Patent Document 1).
その一方で、リチウム金属電池は、負極表面にリチウムが疎に析出することにより、電池特性の変化、電池の膨張などが発生する可能性がある。 On the other hand, in lithium metal batteries, sparse deposition of lithium on the surface of the negative electrode can cause changes in battery characteristics and battery expansion.
析出物の形態として、樹枝状、苔状、粒状、稠密など疎密の程度が異なる様々な形態が存在する。ここで、樹枝状や苔状は疎な形態である。 There are various types of precipitates, including dendritic, moss-like, granular, and dense, with different degrees of sparseness. Here, dendritic and moss-like are sparse forms.
析出物の成長を抑制するために、電池内部に均一な応力が生じるように電池の外部から拘束力を加えることが効果的であるが、電池内部の応力又は歪みの分布を推定する手法は現在のところ提案されていない。 To suppress the growth of precipitates, it is effective to apply a restraining force from the outside of the battery so that uniform stress is generated inside the battery, but currently no method has been proposed for estimating the distribution of stress or strain inside the battery.
本発明は、斯かる事情に鑑みてなされたものであり、蓄電素子内部の応力又は歪みの分布を算出できるコンピュータプログラム、シミュレーション方法、及びシミュレーション装置を提供することを目的とする。 The present invention was made in consideration of the above circumstances, and aims to provide a computer program, a simulation method, and a simulation device that can calculate the distribution of stress or strain inside an energy storage element.
コンピュータプログラムは、コンピュータに、充放電に応じて析出物が生じる蓄電素子に関して、前記析出物の生成量及び析出形態に基づき、前記蓄電素子の固有歪みを算出し、算出した固有歪みに基づき、前記蓄電素子に生じる応力又は歪みの分布を算出する処理を実行させる。 The computer program causes the computer to execute a process for calculating the inherent strain of an energy storage element in which precipitates occur in response to charging and discharging, based on the amount of precipitates produced and the precipitation form, and calculating the distribution of stress or strain occurring in the energy storage element based on the calculated inherent strain.
シミュレーション方法は、充放電に応じて析出物が生じる蓄電素子に関して、前記析出物の生成量及び析出形態に基づき、前記蓄電素子の固有歪みを算出し、算出した固有歪みに基づき、前記蓄電素子に生じる応力又は歪みの分布を算出する処理をコンピュータにより実行する。 The simulation method involves a computer-implemented process that calculates the inherent strain of an energy storage element in which deposits occur in response to charging and discharging, based on the amount of deposits produced and the precipitation form of the deposits, and then calculates the distribution of stress or strain occurring in the energy storage element based on the calculated inherent strain.
シミュレーション装置は、充放電に応じて析出物が生じる蓄電素子に関して、前記析出物の生成量及び析出形態に基づき、前記蓄電素子の固有歪みを算出し、算出した固有歪みに基づき、前記蓄電素子に生じる応力又は歪みの分布を算出する演算部を備える。 The simulation device includes a calculation unit that calculates the inherent strain of an energy storage element in which precipitates occur in response to charging and discharging, based on the amount of precipitates produced and the precipitation form, and calculates the distribution of stress or strain occurring in the energy storage element based on the calculated inherent strain.
上記構成によれば、蓄電素子内部の応力又は歪みの分布を算出できる。 The above configuration makes it possible to calculate the distribution of stress or strain inside the energy storage element.
コンピュータプログラムは、コンピュータに、充放電に応じて析出物が生じる蓄電素子に関して、前記析出物の生成量及び析出形態に基づき、前記蓄電素子の固有歪みを算出し、算出した固有歪みに基づき、前記蓄電素子に生じる応力又は歪みの分布を算出する処理を実行させる。
蓄電素子の充放電を繰り返した場合、蓄電素子の内部には析出物が析出する。例えば、高エネルギー密度化が期待されるリチウム金属電池は、負極にリチウム金属を使用した電池であるが、充放電の繰り返しにより負極表面に疎な析出物(デンドライトなど)が析出する。リチウム金属電池に限らず、リチウムイオン電池、全固体電池など様々な電池において、様々な形態で金属などの析出物が析出することが知られている。特に、電池の内部応力や歪みにバラツキがあると、局所的に析出物の成長が加速しやすい。析出物の成長は、電池特性の変化、電池の膨張などを引き起こす要因となり得る。
析出物の成長を抑制するために、電池内部に均一な応力が生じるように電池の外部から拘束力を加えることが効果的であるが、電池内部の応力又は歪みの分布を推定する手法は現在のところ提案されていない。
上記の構成によれば、蓄電素子の固有歪みを算出し、算出した固有歪みに基づき、応力又は歪みの分布を算出できる。
The computer program causes the computer to execute a process of calculating the inherent strain of an energy storage element in which deposits occur in response to charging and discharging, based on the amount of deposits produced and the precipitation form of the deposits, and calculating the distribution of stress or strain occurring in the energy storage element based on the calculated inherent strain.
When a storage element is repeatedly charged and discharged, deposits are formed inside the storage element. For example, lithium metal batteries, which are expected to have a high energy density, use lithium metal in the negative electrode, but sparse deposits (dendrites, etc.) are formed on the surface of the negative electrode due to repeated charging and discharging. It is known that metal deposits are formed in various forms not only in lithium metal batteries but also in various batteries such as lithium ion batteries and all-solid-state batteries. In particular, if there is variation in the internal stress and strain of the battery, the growth of deposits is likely to accelerate locally. The growth of deposits can be a factor that causes changes in battery characteristics and battery expansion.
In order to suppress the growth of precipitates, it is effective to apply a restraining force from the outside of the battery so as to generate uniform stress inside the battery, but no method has been proposed so far for estimating the distribution of stress or strain inside the battery.
According to the above configuration, the inherent strain of the energy storage element is calculated, and the stress or strain distribution can be calculated based on the calculated inherent strain.
コンピュータプログラムにおいて、前記析出物の生成速度を、生成反応の場に生じる応力の関数として記述してあり、前記関数により算出される前記析出物の生成速度に基づき、前記生成量を算出する処理を前記コンピュータに実行させてもよい。この構成によれば、析出物の生成速度に基づき生成量を算出し、算出した析出物の生成量を基に固有歪みを算出できる。 In the computer program, the formation rate of the precipitates may be described as a function of the stress generated at the site of the formation reaction, and the computer may execute a process to calculate the formation amount based on the formation rate of the precipitates calculated by the function. With this configuration, the formation amount is calculated based on the formation rate of the precipitates, and the inherent strain can be calculated based on the calculated formation amount of the precipitates.
コンピュータプログラムにおいて、前記生成量及び応力場に基づき、前記蓄電素子の電気化学現象をシミュレートする処理を前記コンピュータに実行させてもよい。この構成によれば、析出物の生成量及び蓄電素子の応力場に基づき、蓄電素子の内部抵抗変化などを含む電気化学現象をシミュレートできる。 The computer program may cause the computer to execute a process for simulating electrochemical phenomena in the energy storage element based on the amount of precipitates produced and the stress field. With this configuration, electrochemical phenomena including changes in the internal resistance of the energy storage element can be simulated based on the amount of precipitates produced and the stress field of the energy storage element.
コンピュータプログラムにおいて、前記生成量及び析出形態に基づき、前記蓄電素子における熱現象をシミュレートする処理を前記コンピュータに実行させてもよい。この構成によれば、析出物の生成量及び析出形態に基づき、蓄電素子の温度挙動を含む熱現象をシミュレートできる。 The computer program may cause the computer to execute a process for simulating a thermal phenomenon in the energy storage element based on the amount of precipitate generated and the precipitation form. With this configuration, it is possible to simulate a thermal phenomenon, including the temperature behavior of the energy storage element, based on the amount of precipitate generated and the precipitation form.
コンピュータプログラムにおいて、前記蓄電素子内部のガス発生量を算出し、算出したガス発生量に基づき、前記蓄電素子に生じる応力又は歪みの分布を算出する処理を実行させてもよい。この構成によれば、蓄電素子の内部に発生するガスの量を基に蓄電素子の応力又は歪みの分布を算出できる。 The computer program may execute a process to calculate the amount of gas generated inside the storage element, and calculate the distribution of stress or strain generated in the storage element based on the calculated amount of gas generated. With this configuration, the distribution of stress or strain in the storage element can be calculated based on the amount of gas generated inside the storage element.
シミュレーション方法は、充放電に応じて析出物が生じる蓄電素子に関して、前記析出物の生成量及び析出形態に基づき、前記蓄電素子の固有歪みを算出し、算出した固有歪みに基づき、前記蓄電素子に生じる応力又は歪みの分布を算出する処理をコンピュータにより実行する。この構成によれば、蓄電素子の固有歪みを算出し、算出した固有歪みに基づき、応力又は歪みの分布を算出できる。 The simulation method involves a computer executing a process to calculate the inherent strain of an energy storage element in which precipitates occur in response to charging and discharging, based on the amount of precipitates produced and the precipitation form, and to calculate the distribution of stress or strain occurring in the energy storage element based on the calculated inherent strain. With this configuration, the inherent strain of the energy storage element can be calculated, and the distribution of stress or strain can be calculated based on the calculated inherent strain.
シミュレーション装置は、充放電に応じて析出物が生じる蓄電素子に関して、前記析出物の生成量及び析出形態に基づき、前記蓄電素子の固有歪みを算出し、算出した固有歪みに基づき、前記蓄電素子に生じる応力又は歪みの分布を算出する演算部を備える。この構成によれば、蓄電素子の固有歪みを算出し、算出した固有歪みに基づき、応力又は歪みの分布を算出できる。 The simulation device includes a calculation unit that calculates the inherent strain of an energy storage element in which precipitates occur in response to charging and discharging, based on the amount of precipitates produced and the precipitation form, and calculates the distribution of stress or strain occurring in the energy storage element based on the calculated inherent strain. With this configuration, it is possible to calculate the inherent strain of the energy storage element, and to calculate the distribution of stress or strain based on the calculated inherent strain.
以下、本発明をその実施の形態を示す図面に基づいて具体的に説明する。
(実施の形態1)
図1は実施の形態1に係る推定装置1の内部構成を示すブロック図である。推定装置1は、例えば、演算部(推定部)11、記憶部12、操作部13、及び出力部14を備える。推定装置1は、予め設定された情報又は操作部13を通じて入力された情報に基づき、後述する蓄電素子2(図2を参照)の応力又は歪みの分布を推定する。
Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the drawings showing embodiments thereof.
(Embodiment 1)
1 is a block diagram showing an internal configuration of an estimation device 1 according to embodiment 1. The estimation device 1 includes, for example, a calculation unit (estimation unit) 11, a
演算部11は、CPU(Central Processing Unit)、ROM(Read Only Memory)、RAM(Random Access Memory)などを備える演算回路である。演算部11が備えるCPUは、ROMや記憶部12に格納された各種コンピュータプログラムを実行し、上述したハードウェア各部の動作を制御することによって、装置全体を、蓄電素子2の応力又は歪みの分布を推定するための装置として機能させる。
The
代替的に、演算部11は、複数のCPU、マルチコアCPU、GPU(Graphics Processing Unit)、マイコン、揮発性または不揮発性のメモリ等を備える任意の処理回路または演算回路であってもよい。また、演算部11は、計測開始指示を与えてから計測終了指示を与えるまでの経過時間を計測するタイマ、数をカウントするカウンタ、日時情報を出力するクロック等の機能を備えてもよい。
Alternatively, the
記憶部12は、フラッシュメモリ、ハードディスクなどの記憶装置を備える。記憶部12には、各種のコンピュータプログラム及びデータが記憶される。記憶部12に記憶されるコンピュータプログラムは、シミュレーションモデルMD1を用いて、蓄電素子2の応力又は歪みの分布を推定する処理をコンピュータに実行させるための推定プログラムPG1を含む。シミュレーションモデルMD1は、推定プログラムPG1の中において記述されてもよい。記憶部12に記憶されるデータには、シミュレーションモデルMD1において用いられるパラメータ、推定プログラムPG1において用いられるパラメータ、演算部11によって生成されるデータなどが含まれる。
The
推定プログラムPG1は、MATLAB(登録商標)、Amesim(登録商標)、Twin Builder(登録商標)、MATLAB&Simulink(登録商標)、Simplorer(登録商標)、ANSYS(登録商標)、Abaqus(登録商標)、Modelica(登録商標)、VHDL-AMS(登録商標)、C言語、C++、Java(登録商標)などの市販の数値解析ソフトウェア又はプログラミング言語によって記述されてもよい。数値解析ソフトウェアは、1D-CAEと称される回路シミュレータであってもよく、3D形状で行う有限要素法や有限体積法などのシミュレータであってもよい。代替的に、これらに基づいた縮退モデル(ROM : Reduced-Order Model)を用いてもよい。 The estimation program PG1 may be written in commercially available numerical analysis software or programming languages such as MATLAB (registered trademark), Amesim (registered trademark), Twin Builder (registered trademark), MATLAB & Simulink (registered trademark), Simplorer (registered trademark), ANSYS (registered trademark), Abaqus (registered trademark), Modelica (registered trademark), VHDL-AMS (registered trademark), C language, C++, Java (registered trademark), etc. The numerical analysis software may be a circuit simulator called 1D-CAE, or a simulator such as the finite element method or finite volume method performed on 3D shapes. Alternatively, a reduced-order model (ROM: Reduced-Order Model) based on these may be used.
推定プログラムPG1を含むコンピュータプログラムは、当該コンピュータプログラムを読み取り可能に記録した非一時的な記録媒体Mにより提供される。記録媒体Mは、CD-ROM、USBメモリ、SD(Secure Digital)カードなどの可搬型メモリである。演算部11は、図に示していない読取装置を用いて、記録媒体Mから所望のコンピュータプログラムを読み取り、読み取ったコンピュータプログラムを記憶部12に記憶させる。代替的に、上記コンピュータプログラムは通信により提供されてもよい。
A computer program including the estimation program PG1 is provided by a non-transitory recording medium M on which the computer program is recorded in a readable manner. The recording medium M is a portable memory such as a CD-ROM, a USB memory, or a Secure Digital (SD) card. The
操作部13は、各種の操作装置を接続するためのインタフェースを備える。操作装置は、キーボード、マウス、タッチパネルなど、ユーザの操作を受付けるための装置である。操作部13は、操作装置を通じて受付けた操作情報を演算部11へ出力する。
The
出力部14は、外部装置を接続する接続インタフェースを備える。出力部14に接続される外部装置は、液晶ディスプレイなどを備える表示装置140である。この場合、演算部11は、推定した蓄電素子2の電気化学現象に関する情報を出力部14から出力することによって、当該情報を表示装置140に表示させる。代替的に、推定装置1が表示装置140を内蔵してもよい。
The
更に、出力部14は、外部装置と通信するための通信インタフェースを備えてもよい。出力部14に通信可能に接続される外部装置は、蓄電素子2の状態を監視する監視サーバである。代替的に、出力部14に通信可能に接続される外部装置は、蓄電素子2から供給される電力により動作する携帯端末や電気自動車などの制御装置であってもよい。
Furthermore, the
以下、推定装置1のシミュレーション対象である蓄電素子2について説明する。
図2は蓄電素子2の構成を説明する説明図である。蓄電素子2は、例えば金属リチウム電池である。蓄電素子2は、正極集電体層21、正極活物質層22、電解質層23、及び負極集電体層24の積層体を含む。
The
2 is a diagram illustrating the configuration of the
正極集電体層21は、金属箔、金属メッシュ等により構成される。正極集電体層21を構成する金属は、アルミニウム、ニッケル、チタン、ステンレス鋼等の良好な導電性を有する金属である。正極集電体層21の表面には、接触抵抗を調整するためのコート層が形成されていてもよい。コート層の一例は炭素コートである。
The positive
正極活物質層22は、リチウムイオンを吸蔵放出させることができるリチウム含有化合物により形成される。リチウム含有化合物として、例えば、Lix CoO2 、Lix NiO2 、Lix Mn2 O4 、Lix FePO4 などが用いられる。正極活物質層22は、正極活物質の他に、固体電解質、導電助剤、及びバインダを含んでもよい。
The positive electrode
電解質層23は、電解液が含浸されたセパレータである。電解液は、例えば非水溶媒と、非水溶媒に溶けたリチウム塩とを含む。非水溶媒の例としては、環状炭酸エステル溶媒、環状エーテル溶媒、鎖状エーテル溶媒、環状エステル溶媒、鎖状エステル溶媒などが挙げられる。リチウム塩の例としては、LiPF6 、LiBF4 、LiN(SO2CF3 )2 、LiN(SO2 C2 F5 )2 などが挙げられる。
The
負極集電体層24は、金属箔、金属メッシュ等により構成される。負極集電体層24を構成する金属は、銅、ニッケル、チタン、ステンレス鋼等の良好な導電性を有する金属である。負極集電体層24の表面において、例えばリチウム金属又はリチウム合金が溶解又は析出する。ここで、溶解とは、完全に溶解することに限定されず、部分的に溶解するものを含む。すなわち、リチウム金属又はリチウム合金は、蓄電素子2の放電状態において、負極集電体層24の表面に残存していてもよい。
The negative
蓄電素子2は、拘束部材3によって拘束されてもよい。拘束部材3は、例えば、蓄電素子2を収容するケース31と、ケース31内に圧縮された状態にて配置される弾性部材32とを備える。ケース31は、例えば直方体状の容器であり、底面部311と側面部312とにより構成されるケース本体310と、ケース本体310の開口を閉塞する蓋体313とを備える。ケース本体310(底面部311及び側面部312)並びに蓋体313は、例えば、ステンレス鋼、アルミニウム、アルミニウム合金など溶接可能な金属によって形成される。代替的に、ケース本体310(底面部311及び側面部312)並びに蓋体313は、樹脂によって形成されてもよい。ケース本体310は、蓄電素子2が収容された後、蓋体313によって密閉される。
The
弾性部材32は、蓄電素子2の最下層(図2の例では正極集電体層21)と底面部311との間、及び、蓄電素子2の最上層(図2の例では負極集電体層24)と蓋体313との間に、圧縮された状態にて配置される。弾性部材32は例えばゴム状のシートである。弾性部材32は、その弾性力によって、蓄電素子2に積層方向(図の上下方向)の拘束力を付与する。
The
図2の例では、ケース31の内部に弾性部材32を配置することによって、蓄電素子2に対して拘束力を付与する構成とした。代替的に、ケース31内に高圧の流体を充填することによって蓄電素子2に拘束力を付与してもよい。この場合、流体としては、電池材料に対して不要な反応を生じさせないものが好ましい。例えば、窒素等の不活性ガスや乾燥空気等が用いられる。代替的に、蓄電素子2を積層方向の両側から板部材によって挟み込み、蓄電素子2に拘束力が付与された状態にて板部材同士を連結することによって、蓄電素子2に拘束力を付与する構成としてもよい。
In the example of FIG. 2, a configuration is adopted in which a restraining force is applied to the
図3は析出物の生成量と固有歪みとの関係の一例を示すグラフである。図3に示すグラフの横軸は析出物の生成量を表し、縦軸は固有歪みを表す。長時間にわたる充放電の繰り返しにより、蓄電素子2の内部には析出物が析出することがある。例えば、蓄電素子2の負極にリチウム金属が用いられている場合、長期間にわたる充放電の繰り返しによって、負極表面にはリチウム金属が疎に析出することがある。析出形態は、密である場合もある。
Figure 3 is a graph showing an example of the relationship between the amount of precipitates produced and the inherent strain. The horizontal axis of the graph shown in Figure 3 represents the amount of precipitates produced, and the vertical axis represents the inherent strain. Repeated charging and discharging over a long period of time may cause precipitates to form inside the
グラフに示すように、蓄電素子2の固有歪みは、析出物の析出量に比例するが、析出形態によって大きさが異なる。同じ析出量であっても、稠密な金属が析出した場合には固有歪みは比較的小さくなり、疎に析出した場合には固有歪みは比較的大きくなる。苔状の析出物が析出した場合には、固有歪みは両者の中間の大きさとなる。
As shown in the graph, the inherent strain of the
図4は析出物の生成量と固有歪みの関係の他の例を示すグラフである。図4に示すグラフの横軸は析出物の生成量を表し、縦軸は固有歪みを表す。グラフは、析出の初期段階において稠密な析出物が析出し、次いで疎な析出物が析出している様子を示している。蓄電素子2の固有歪みは、稠密な析出物が析出する段階、及び疎なリチウムが析出する段階の双方において、析出物の生成量に比例する値として与えられる。
Figure 4 is a graph showing another example of the relationship between the amount of precipitates formed and the inherent strain. The horizontal axis of the graph shown in Figure 4 represents the amount of precipitates formed, and the vertical axis represents the inherent strain. The graph shows how dense precipitates precipitate in the early stages of precipitation, followed by sparse precipitates. The inherent strain of the
推定装置1の記憶部12には、析出物の生成量を蓄電素子2の固有歪みに変換する関数若しくはテーブルが記憶される。推定装置1の演算部11は、記憶部12に記憶された関数若しくはテーブルを参照し、析出物の生成量を与えたときの蓄電素子2の固有歪みを算出する。
The
演算部11は、算出した固有歪みに基づき、蓄電素子2における応力又は歪みの分布を推定する。
The
例えば、変形異方性のない線形弾性体の応力と歪みの関係式は、以下の数1によって表される。代替的に、対象物の構成材料によって、弾塑性体や脆性材料などの特性を表現する式を用いてもよい。 For example, the relationship between stress and strain for a linear elastic body without deformation anisotropy is expressed by the following equation 1. Alternatively, an equation expressing the characteristics of an elastoplastic body or a brittle material may be used depending on the constituent material of the object.
ここで、σii,σijを要素としたテンソルは応力テンソルを表す。σiiは法線がi方向の面に働く垂直応力、σijは法線がi方向の面に働くj方向のせん断応力を表す。ラメ定数λ,μによって記述されるテンソルは弾性テンソルを表す。ラメ定数λ,μは、ヤング率及びポアソン比によって表される。ラメ定数λ,μは析出物の生成量の関数として与えてもよい。εは歪みテンソルであり、εii,εijを要素に含む。εiiは法線がi方向の面に働く垂直歪み、σijは法線がi方向の面に働くj方向のせん断歪みを表す。ε0 は固有歪みテンソルであり、εii 0,εij 0 を要素に含む。εii 0 は法線がi方向の面に働く垂直固有歪み、εij 0は法線がi方向の面に働くj方向のせん断固有歪みを表す。実施の形態において、εii 0 ,εij 0 は析出物の生成量の関数として与えられる。 Here, the tensor with σ ii and σ ij as elements represents the stress tensor. σ ii represents the normal stress acting on the surface normal to the i direction, and σ ij represents the shear stress in the j direction acting on the surface normal to the i direction. The tensor described by the Lamé constants λ and μ represents the elasticity tensor. The Lamé constants λ and μ are expressed by Young's modulus and Poisson's ratio. The Lamé constants λ and μ may be given as a function of the amount of precipitates generated. ε is a strain tensor, and its elements include ε ii and ε ij . ε ii represents the normal strain acting on the surface normal to the i direction, and σ ij represents the shear strain in the j direction acting on the surface normal to the i direction. ε 0 is an inherent strain tensor, and its elements include ε ii 0 and ε ij 0. ε ii 0 represents the normal inherent strain acting on the surface normal to the i direction, and ε ij 0 represents the shear inherent strain in the j direction acting on the surface normal to the i direction. In an embodiment, ε ii 0 and ε ij 0 are given as functions of the amount of precipitates formed.
推定装置1の演算部11は、固有歪みを析出物が析出する部材に与え、任意の拘束条件にて、数1の応力・歪みの関係式と、数2の力及びモーメントのつり合い式とを解くことによって、応力又は歪みの分布を算出する。
The
以下、推定装置1が実行する処理の手順を説明する。
図5は応力・歪み分布の計算手順を示すフローチャートである。演算部11は、シミュレーション対象の蓄電素子2について析出物の生成量を与え(ステップS101)、析出物が析出する部材の固有歪みを計算する(ステップS102)。このとき、演算部11は、記憶部12から、析出物の生成量を固有歪みに変換する関数若しくはテーブルを読み出し、読み出した関数若しくはテーブルに従って、生成量を固有歪みに変換すればよい。
The procedure of the process executed by the estimation device 1 will be described below.
5 is a flow chart showing a calculation procedure for stress and strain distribution. The
次いで、演算部11は、蓄電素子2に対して拘束条件を与え(ステップS103)、数1及び数2に基づき、応力・歪みの関係式と、力及びモーメントのつり合い式とに基づき、応力又は歪みの分布を計算する(ステップS104)。
Next, the
以上のように、実施の形態1では、蓄電素子2の内部に析出する析出物の生成量を考慮して、蓄電素子2の応力又は歪みの分布を計算できる。
As described above, in embodiment 1, the stress or strain distribution of the
(実施の形態2)
実施の形態2では、蓄電素子2の内部応力に基づき、析出物の生成速度を算出し、算出した生成速度に基づき、析出物の生成量を算出する構成について説明する。
(Embodiment 2)
In the second embodiment, a configuration will be described in which the rate at which precipitates are formed is calculated based on the internal stress of
蓄電素子2の内部における析出物の生成は、析出物生成反応の場(例えば負極表面)に生じる応力に影響を受ける。析出物の生成速度は、析出物生成反応の場に生じる応力の関数として以下のように表される。
The formation of precipitates inside the
ここで、Rp は析出物の生成速度(kg/(s m2))であり、σは応力テンソル(N/m2 )である。 Here, R p is the rate of formation of precipitates (kg/(s m 2 )), and σ is the stress tensor (N/m 2 ).
析出物の生成は、応力だけでなく、充放電の電流密度や過電圧の経時的な変化の影響を受ける。析出物の生成速度は、数4のように記述されてもよい。 The formation of precipitates is affected not only by stress but also by changes in charge/discharge current density and overvoltage over time. The rate of precipitate formation may be described as follows:
ここで、ireact は反応電流密度(A/m2 )であり、ηは過電圧(V)である。 Here, i react is the reaction current density (A/m 2 ) and η is the overpotential (V).
析出物の生成速度が数3(又は数4)によって与えられる場合、演算部11は、数5の演算により、析出物の生成量を算出できる。
When the rate of precipitate formation is given by equation 3 (or equation 4), the
演算部11は、算出した析出物の生成量に基づき、固有歪みを算出できる。演算部11は、算出した固有歪みに基づき、応力又は歪みの分布を算出できる。
The
演算部11は、数6により、析出物の生成量を面密度として分布を算出し、固有歪みも分布として算出してもよい。
The
以下、生成速度Rp を表す式の一例について説明する。
析出物の生成反応を電極反応とみなした場合、反応電流密度は、バトラーボルマー式を用いて、以下のように表される。
An example of an equation expressing the generation rate R p will be described below.
When the reaction of forming a precipitate is regarded as an electrode reaction, the reaction current density is expressed as follows using the Butler-Volmer equation:
ここで、ireact_p は析出物の生成反応における反応電流密度(A/m2 )であり、i0_p は交換電流密度(A/m2 )である。αa ,αc は酸化反応、還元反応それぞれの電荷移動係数、nは反応に関与する電子数、Fはファラデー定数(C/mol)、ηは過電圧(V)、Rは気体定数(J/(mol K))、Tは温度(K)を表す。φs は固相電位(V)、φl は液相電位(V)、Eeqは平衡電位(V)を表す。 Here, i react_p is the reaction current density (A/m 2 ) in the precipitate formation reaction, and i 0_p is the exchange current density (A/m 2 ). α a and α c are the charge transfer coefficients for the oxidation reaction and reduction reaction, respectively, n is the number of electrons involved in the reaction, F is the Faraday constant (C/mol), η is the overpotential (V), R is the gas constant (J/(mol K)), and T is the temperature (K). φ s is the solid-phase potential (V), φ l is the liquid-phase potential (V), and E eq is the equilibrium potential (V).
反応電流密度ireact_p が数7によって与えられる場合、析出物の生成速度Rp は、数8のように表される。 When the reaction current density i react_p is given by Equation 7, the deposition rate R p is expressed by Equation 8.
ここで、MLiは析出物(例えばリチウム金属)のモル質量(kg/mol)を表す。このとき、電極の膨れ量Δl(m)は、数9によって算出される。ρp は析出物の密度(kg/m3 )である。 Here, M Li represents the molar mass (kg/mol) of the precipitate (e.g., lithium metal). At this time, the swelling amount Δl (m) of the electrode is calculated by Equation 9. ρ p is the density of the precipitate (kg/m 3 ).
析出物の析出量がゼロのときの、析出面に垂直な方向に対する電極の寸法をl(m)とし、その電極上にΔlの析出物が生成した場合に、εl を以下の数10のように定義する。数10は、析出物が析出した場合であっても、析出物が生成する電極部分は全く変形しないと仮定した場合に生じる、析出方向への圧縮歪みを表す。 When the amount of precipitate is zero, the dimension of the electrode in the direction perpendicular to the precipitate surface is taken as l (m), and when a precipitate of Δl is formed on the electrode, εl is defined as the following equation 10. Equation 10 represents the compressive strain in the precipitation direction that occurs when it is assumed that the electrode portion where the precipitate is formed does not deform at all even when the precipitate precipitates.
析出物の生成による合材膨れ方向(析出面に垂直な方向)の単位ベクトルをn=(nx ,ny ,nz )としたとき、固有歪みテンソルε0 は、数11のように記述される。
When the unit vector in the direction of the composite material swelling due to the generation of precipitates (direction perpendicular to the precipitate surface) is n =(nx, ny , nz ), the inherent strain tensor ε0 is expressed as in
推定装置1の演算部11は、例えば、数7~数11に基づき、固有歪みテンソルε0 を導出し、実施の形態1にて説明した数1及び数2を用いることにより、蓄電素子2の応力又は歪みの分布を算出する。
The
以上のように、実施の形態2では、析出物の生成量と応力・歪み分布とを連成させて計算できる。
As described above, in
(実施の形態3)
実施の形態3では、析出物の生成量及び応力場を考慮して、蓄電素子2の電気化学現象をシミュレートする構成について説明する。
(Embodiment 3)
In the third embodiment, a configuration for simulating the electrochemical phenomenon of the
蓄電素子2の内部に生じる析出物の生成量及び応力は、蓄電素子2の電池特性に影響を与える。蓄電素子2の固有導電率、液相導電率、交換電流密度は、析出物の生成量、応力、時間の関数として、以下のように表される。
The amount of precipitates and stress generated inside the
ここで、i0 は交換電流密度(A/m2 )、σl は液相導電率(S/m)、σs は固相導電率(S/m)、mp は析出物の生成量(kg)又は析出物の面密度(kg/m2 )、σは応力テンソル、tは時間を表す。 Here, i0 represents the exchange current density (A/ m2 ), σl represents the liquid phase conductivity (S/m), σs represents the solid phase conductivity (S/m), mp represents the amount of precipitate produced (kg) or the areal density of the precipitate (kg/ m2 ), σ represents the stress tensor, and t represents time.
演算部11は、数12を用いてNewmanモデルなどの電気化学モデルを解くことにより、析出物の生成量及び応力の影響を考慮した蓄電素子2の電気化学現象をシミュレートできる。
The
Newmanモデルは、以下において説明するNernst-Planck式、電荷保存式、拡散方程式、Butler-Volmer式、及びNernst式により記述される The Newman model is described by the Nernst-Planck equation, the charge conservation equation, the diffusion equation, the Butler-Volmer equation, and the Nernst equation, which are explained below.
Nernst-Planck式は、電解質や電極におけるイオン拡散を解くための方程式であり、次式により表される。 The Nernst-Planck equation is an equation for solving ion diffusion in electrolytes and electrodes, and is expressed as follows:
ここで、σl は液相伝導率(S/m)、φl は液相電位(V)、Rは気体定数(J/(K・mol))、Tは温度(K)、Fはファラデー定数(C/mol)、fは活量係数、cl は電解質のイオン濃度(mol/m3 )、t+ はカチオン輸率である。数13のil
totは液相電流の湧き出し(A/m3 )を表す。
Here, σ l is the liquid phase conductivity (S/m), φ l is the liquid phase potential (V), R is the gas constant (J/(K·mol)), T is the temperature (K), F is the Faraday constant (C/mol), f is the activity coefficient, c l is the ion concentration of the electrolyte (mol/m 3 ), and t + is the cation transport number. i l tot in
電荷保存式は、活物質や集電箔での電子伝導を表す式であり、次式により表される。 The charge conservation equation represents the electronic conduction in active materials and current collector foils, and is expressed as follows:
ここで、is は固相電流密度(A/m2 )、φs は固相電位(v)、σs は固相伝導率(S/m)である。数14のis
totは固相電流の湧き出し(A/m3 )を表す。
Here, i s is the solid-phase current density (A/m 2 ), φ s is the solid-phase potential (v), and σ s is the solid-phase conductivity (S/m). In
拡散方程式は、活粒子中での活物質の拡散を表す方程式であり、次式により表される。 The diffusion equation describes the diffusion of active material in active particles and is expressed as follows:
ここで、cs は固相中の活物質濃度(mol/m3 )、tは時間(s)、Ds は固相中の拡散係数(m2 /s)である。 Here, c s is the active material concentration in the solid phase (mol/m 3 ), t is time (s), and D s is the diffusion coefficient in the solid phase (m 2 /s).
Butler-Volmer式は、固相と液相との界面で起こる電荷移動反応で生じる反応電流と活性化過電圧との関係を表す式である。また、Nernst式は、活性化過電圧を決定する因子である平衡電位を表す式である。 The Butler-Volmer equation expresses the relationship between the reaction current generated by the charge transfer reaction that occurs at the interface between the solid and liquid phases and the activation overvoltage. The Nernst equation expresses the equilibrium potential, which is the factor that determines the activation overvoltage.
ここで、ireact は反応電流密度(A/m2 )、i0 は交換電流密度(A/m2 )、αa ,αc は酸化反応、還元反応それぞれの移行係数、ηは活性化過電圧(V)、φs は固相電位(V)、φl は液相電位(V)、Eeqは平衡電位(V)、E0 は標準電極電位(V)、nは酸化還元反応に寄与する電子数、aOx,aRed は反応前後の化学種の活量である。Butler-Volmer式は、代替的に実験値に基づき改変した式が用いられる。例えば、交換電流密度を活物質濃度やイオン濃度の関数にしたり、Nernst式を用いて平衡電位Eeqを算出する代わりに開回路電位としてSOCおよび開回路電位の実測データを用いるなど、適宜に改変してよい。上述した数13~数16の式における各パラメータは、他の物理量の関数として記述されてもよい。
Here, i react is the reaction current density (A/m 2 ), i 0 is the exchange current density (A/m 2 ), α a and α c are the transfer coefficients of the oxidation reaction and reduction reaction, respectively, η is the activation overpotential (V), φ s is the solid-phase potential (V), φ l is the liquid-phase potential (V), E eq is the equilibrium potential (V), E 0 is the standard electrode potential (V), n is the number of electrons contributing to the oxidation-reduction reaction, and a Ox and a Red are the activities of the chemical species before and after the reaction. The Butler-Volmer formula may be modified based on experimental values instead. For example, the exchange current density may be a function of the active material concentration or ion concentration, or the actual measurement data of the SOC and open circuit potential may be used as the open circuit potential instead of calculating the equilibrium potential E eq using the Nernst formula, and the like. Each parameter in the
本実施の形態では、蓄電素子2の物理モデルの一例として、Newmanモデルを示した。充放電特性を表すのであれば、代替的に、等価回路モデルや多項式モデルなどの物理モデル以外のモデルを用いてもよい。
In this embodiment, the Newman model is shown as an example of a physical model of the
図6は等価回路モデルの一例を示す回路図である。蓄電素子2の等価回路モデルは、抵抗器及び容量成分の組み合わせによって表現される。図6に示す等価回路モデルにおいて、R0 はオーム抵抗成分、Rpos は正極の反応抵抗成分、Cpos は正極の容量成分、Rneg は負極の反応抵抗成分、Cneg は負極の容量成分を表す。ただし、図6は例示であって、直列、並列の組み合わせや電気回路素子の個数や種類に制限はない。
Fig. 6 is a circuit diagram showing an example of an equivalent circuit model. The equivalent circuit model of the
推定装置1は、蓄電素子2の電気化学現象を等価回路モデルを用いて1Dで評価する場合、以下の数17に基づき、各抵抗・電気容量を推定すればよい。
When the estimation device 1 evaluates the electrochemical phenomenon of the
ここで、mp は析出物の生成量(kg)又は析出物の面密度(kg/m2 )、σは応力、tは時間を表す。 Here, m p represents the amount of precipitates formed (kg) or the areal density of precipitates (kg/m 2 ), σ represents stress, and t represents time.
以上のように、実施の形態3では、析出物の生成量及び応力場に基づき、蓄電素子2の電気化学現象をシミュレートできる。
As described above, in
(実施の形態4)
実施の形態4では、析出物の生成量及び析出形態に基づき、蓄電素子2の熱現象をシミュレートする構成について説明する。
(Embodiment 4)
In the fourth embodiment, a configuration for simulating a thermal phenomenon in an
蓄電素子2の内部に生じる析出物の生成量及び析出形態は、蓄電素子2の熱現象に影響を与える。蓄電素子2の発熱反応速度、熱伝導率、比熱、密度は、析出物の生成量及び析出形態の関数として、以下のように表される。
The amount and morphology of precipitates formed inside the
ここで、QTRは発熱(W/m3 )、Cp は比熱(J/(kg K))、kは熱伝導率(W/(m K))、ρは密度(kg/m3 )を表す。mp は析出物の生成量(kg)であり、αは析出形態に応じて設定される係数である。係数αは、例えば、析出物の比表面積に比例する値として与えられる。代替的に、係数αは(固有歪みの絶対値/析出物の生成量)に比例する値として与えられてもよい。 Here, Q TR is heat generation (W/m 3 ), C p is specific heat (J/(kgK)), k is thermal conductivity (W/(mK)), and ρ is density (kg/m 3 ). m p is the amount of precipitates formed (kg), and α is a coefficient set according to the precipitation morphology. The coefficient α is given, for example, as a value proportional to the specific surface area of the precipitates. Alternatively, the coefficient α may be given as a value proportional to (absolute value of inherent strain/amount of precipitates formed).
演算部11は、数18を用いて熱伝導方程式を解くことにより、析出物の生成量及び析出形態の影響を考慮した蓄電素子2の熱現象をシミュレートできる。熱伝導方程式は数19により表される。
The
ここで、Qは発熱(W/m3 )であり、数18におけるQTRに相当する。 Here, Q is heat generation (W/m 3 ) and corresponds to Q TR in Equation 18.
演算部11は、実施の形態3において説明した電気化学モデルと組み合わせ、以下の式に基づきジュール発熱を算出してもよい。
The
ここで、il は液相電流密度(A/m2 )、φl は液相導電率(A/m2 )、is は固相電流密度(A/m2 )、φs は固相導電率(A/m2 )である。 Here, i l is the liquid phase current density (A/m 2 ), φ l is the liquid phase conductivity (A/m 2 ), i s is the solid phase current density (A/m 2 ), and φ s is the solid phase conductivity (A/m 2 ).
以上のように、実施の形態3では、析出物の生成量及び析出形態に基づき、蓄電素子2の熱現象をシミュレートできる。
As described above, in
(実施の形態5)
実施の形態5では、蓄電素子2の内部に発生するガスの量を考慮して、蓄電素子2の応力又は歪みの分布を算出する構成について説明する。
(Embodiment 5)
In the fifth embodiment, a configuration for calculating the distribution of stress or strain in the
充放電の繰り返しにより、蓄電素子2の内部にガスが発生する場合がある。蓄電素子2の内部にガスが発生した場合、蓄電素子2は膨張し、膨張することによって歪みが生じる。実施の形態5では、ガスの発生量を考慮して、蓄電素子2の応力又は歪みの分布を計算する手法について説明する。
Repeated charging and discharging may cause gas to be generated inside the
蓄電素子2のガスの発生量は様々な式で与えられる。例えば、反応むらがあり、電流の集中があるとガス発生が進行しやすい場合、上述した反応電流密度ireact に基づき、ガス発生量ngas (mol)が算出される。
The amount of gas generated in the
ここで、Jは局所的な反応電流密度が平均よりも高い場合(電流集中がある場合)に1、そうでない場合に0となる変数である。ave_ireact は平均反応電流密度(A/m2 )である。 Here, J is a variable that is 1 when the local reaction current density is higher than the average (when there is current concentration) and is 0 otherwise. ave_i react is the average reaction current density (A/m 2 ).
このとき、ガス発生による蓄電素子2の内圧p(N/m2 )は、以下の数22により算出される。
At this time, the internal pressure p (N/m 2 ) of the
ここで、n0 は初期にあったガス量(mol)であり、vは蓄電素子内部の隙間の体積(m3 )である。厳密には、ギブズ=デュエムの関係(ギブズ=デュエムの式)に従うが、計算単純化のために数22を用いてもよい。また、理想気体と仮定して数22を用いてもよいが、分子間力を考慮した気体の状態方程式を用いてもよい。
Here, n0 is the initial amount of gas (mol), and v is the volume of the gap inside the energy storage element ( m3 ). Strictly speaking, the Gibbs-Duhem relationship (Gibbs-Duhem equation) is followed, but
このとき応力テンソルσは、蓄電素子2の内圧pを用いて、次式のように記述される。 In this case, the stress tensor σ is expressed as follows using the internal pressure p of the storage element 2:
演算部11は、数23に示す応力を加味し、数1の応力・歪みの関係式と、数2の力及びモーメントのつり合い式とを解くことによって、応力又は歪みの分布を算出する。
The
以上のように、実施の形態5では、蓄電素子2の内部に発生するガスの量を考慮して、蓄電素子2の応力又は歪みの分布を算出できる。
As described above, in embodiment 5, the distribution of stress or strain in the
今回開示された実施形態は、全ての点において例示であって、制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上述した意味ではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内での全ての変更が含まれることが意図される。 The embodiments disclosed herein are to be considered in all respects as illustrative and not restrictive. The scope of the present invention is indicated by the claims, not by the above meaning, and is intended to include all modifications within the meaning and scope of the claims.
例えば、蓄電素子2は、複数のセルを直列に接続したモジュール、複数のモジュールを直列に接続したバンク、複数のバンクを並列に接続したドメイン等であってもよい。
For example, the
1 推定装置
2 蓄電素子
3 拘束部材
11 演算部
12 記憶部
13 操作部
14 出力部
15 入力部
21 正極集電体層
22 正極活物質層
23 固体電解質層
24 負極集電体層
31 ケース
32 弾性部材
310 ケース本体
311 底面部
312 側面部
313 蓋体
MD1 シミュレーションモデル
PG1 推定プログラム
REFERENCE SIGNS LIST 1
Claims (7)
充放電に応じて析出物が生じる蓄電素子に関して、前記析出物の生成量及び析出形態に基づき、前記蓄電素子の固有歪みを算出し、
算出した固有歪みに基づき、前記蓄電素子に生じる応力又は歪みの分布を算出する
処理を実行させるためのコンピュータプログラム。 On the computer,
For an electric storage element in which a precipitate is generated in response to charging and discharging, an inherent strain of the electric storage element is calculated based on the amount and form of the precipitate;
A computer program for executing a process of calculating a distribution of stress or strain generated in the energy storage element based on the calculated inherent strain.
前記関数により算出される前記析出物の生成速度に基づき、前記生成量を算出する
処理を前記コンピュータに実行させるための請求項1に記載のコンピュータプログラム。 The formation rate of the precipitate is described as a function of stress generated in the field of the formation reaction,
The computer program according to claim 1 , which causes the computer to execute a process of calculating the amount of precipitates generated based on the generation rate of the precipitates calculated by the function.
処理を前記コンピュータに実行させるための請求項1又は請求項2に記載のコンピュータプログラム。 The computer program according to claim 1 or 2, which causes the computer to execute a process of simulating an electrochemical phenomenon in the electricity storage element based on the production amount and the stress field.
処理を前記コンピュータに実行させるための請求項1から請求項3の何れか1つに記載のコンピュータプログラム。 The computer program according to claim 1 , which causes the computer to execute a process of simulating a thermal phenomenon in the energy storage element based on the amount of generation and the precipitation form.
算出したガス発生量に基づき、前記蓄電素子に生じる応力又は歪みの分布を算出する
処理を実行させるための請求項1から請求項4の何れか1つに記載のコンピュータプログラム。 Calculating the amount of gas generated inside the energy storage element;
The computer program product according to claim 1 , for executing a process of calculating a distribution of stress or strain generated in the electric storage element based on the calculated amount of gas generated.
算出した固有歪みに基づき、前記蓄電素子に生じる応力又は歪みの分布を算出する
処理をコンピュータにより実行するシミュレーション方法。 For an electric storage element in which a precipitate is generated in response to charging and discharging, an inherent strain of the electric storage element is calculated based on the amount and form of the precipitate;
A simulation method comprising: calculating, by a computer, a distribution of stress or strain generated in the energy storage element based on the calculated inherent strain.
算出した固有歪みに基づき、前記蓄電素子に生じる応力又は歪みの分布を算出する
演算部を備えるシミュレーション装置。 For an electric storage element in which a precipitate is generated in response to charging and discharging, an inherent strain of the electric storage element is calculated based on the amount and form of the precipitate;
A simulation device comprising a calculation unit that calculates a distribution of stress or strain generated in the energy storage element based on the calculated inherent strain.
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