El modelado y la simulación son maneras efectivas para comprender, optimizar y controlar los procesos de electrodeposición. Una simulación típica produce la distribución de corriente en la superficie de los electrodos y el grosor y composición de la capa depositada. Son utilizados para estudiar parámetros importantes como: geometría de la celda, composición del electrolito, cinética del electrodo, tensiones y corrientes de trabajo, así como efectos de temperatura.
El Electrodeposition Module incluye toda la potencia de COMSOL Multiphysics para simular procesos de electrodeposición. Se proporcionan interfaces físicas, fáciles de utilizar, para modelos de distribución de corriente primaria, secundaria y terciaria, mientras que las precisas representaciones geométricas de la capa depositada formada se incluyen como parámetros del modelo.
Electrodeposition Module es útil en una amplia variedad de aplicaciones que incluyen deposición de metal para piezas electrónicas y eléctricas, corrosión y protección para durabilidad, electroplateado decorativo, electroformación de piezas con estructura fina y compleja y electroenventanado de metal.
El Módulo de Electrodeposición se puede usar en un campo amplio de aplicaciones. Algunos de estos áreas son:
La versión 5.5 trae una interfaz para cálculo del potencial de equilibrio utilizando la ecuación de Nernst, cinética de Butler-Volmer dependiente de la concentración para ecuaciones químicas, y soporte de la interfaz Chemistry para reacciones del electrodo.
Cálculo del potencial de equilibrio utilizando le ecuación de Nernst
En las funcionalidades Electrode Reaction y Porous Electrode Reaction, el potencial de equilibrio de las reacciones del electrodo pueden ser definidas utilizando la nueva opción Nernst Equation, facilitando la configuración de modelos termodinámicamente consistentes. En las interfaces físicas que resuelven concentraciones múltiples, como las interfaces Tertiary Current Distribution y Chemistry, el potencial de equilibrio automáticamente será dependiente de la concentración, basándose en la estequiometría de reacción. Todos los modelos de la librería de aplicaciones que disponen de potenciales de equilibrio Nernstiano han sido actualizados para utilizar la nueva funcionalidad.
Sección de ajustes para la interfaz Equilibrium Potential in the Tertiary Current Distribution, Nernst-Planck. El potencial de equilibrio se calculará automáticamente de la estequiometría de reacción y la concentración de especies.
Cinética de Butler-Volmer dependiente de la concentración
En la funcionalidades Electrode Reaction y Porous Electrode Reaction, la densidad de corriente de intercambio de las expresiones de cinéticas Butler-Volmer y Linearized Butler-Volmer ahora pueden ser automáticamente definidas para ser dependientes de la concentración, basándose en la estequiometría de la reacción. La opción está disponible si la opción Nernst equation es utilizada para definir el potencial de equilibrio. En la interfaz Tertiary Current Distribution, Nernst-Planck, las opciones Mass action law y Lumped multistep están disponibles para el tipo de densidad de corriente de intercambio. Se han actualizado todos los modelos de la Librería de Aplicaciones que disponen de potenciales de equilibrio Nernstiano, para que usen la nueva funcionalidad.
Sección de ajustes para la cinética del electrodo en la interfaz Tertiary Current Distribution, Nernst-Planck. La densidad de corriente de intercambio se calculará automáticamente de la estequiometría de reacción y concentraciones de especies.
Soporte de las interfaz de química para reacciones del electrodo
La interfaz Chemistry, añadida al módulo Batteries and Fuel Cells Module en la versión 5.5, ahora dispone de nodos Electrode Reactions y Electrode Reaction Group. La interaz Chemistry permite definir especies múltiples y reacciones de electrodo, así como reacciones químicas ordinarias. También, las propiedades de mezcla y termodinámica, como potenciales de equilibrio, pueden ser calculados automáticamente por la interfaz Chemistry. Las variables definidas por estas funcionalidades, como las densidades de corriente local y potenciales de equilibrio, pueden estar acopladas a cualquier otra interfaz física aplicable.
La versión 5.3a trae una nueva funcionalidad para definir reacciones en un electrodo fino y dos nuevos tutoriales de corrosión.
Nuevo nodo de superficie de electrodo fino
La funcionalidad de Superficie fina de electrodo puede utilizarse para definir reacciones de electrodos que ocurren en un electrodo fino que esté completamente inmerso en electrolito. El electrodo se considera infinitamente delgado, y solo es aplicable en contornos internos de los dominios del electrolito. Puede utilizarse como una alternativa a dibujar el dominio del electrodo real en la geometría del modelo, lo que puede reducir significativamente el tiempo de mallado y resolución, especialmente en modelos 3D. Normalmente se puede utilizar esta funcionalidad para modelar electrodeposición o procesos de corrosión que ocurren en capas finas de metal.
El cátodo fino en el tutorial Car Door en la biblioteca de aplicaciones del Electrodeposition Module ahora se define utilizando la nueva funcionalidad de Superficie fina de electrodo.
Interfaz de flujo en medios libre y poroso renovada
Con la nueva versión de la interfaz Flujo en medio libre y poroso se puede acoplar flujo laminar o libre turbulento con flujo en medios porosos. Esta interfaz sigue siendo única en su acoplamiento con las interfaces electroquímicas para el modelado de electrodos porosos.
Modelo de permeabilidad de Kozeny-Carman
El modelo de permeabilidad de Kozeny-Carman, disponible para la interfaz de Ley de Darcy en COMSOL Multiphysics 5.3a, permite estimar la permeabilidad de medios granulares a partir de la porosidad y el diámetro de las partículas.
Nuevo modelo tutorial: Level-set interface for Cu deposition in a trench
La interfaz Level set ahora se ha añadido al Electrodeposition Module para modelar problemas de electrodeposición donde la topología de la superficie del electrodo depositante cambie como resultado del proceso de deposición.
Nuevo modelo tutorial: Aluminum Anodization
La anodización es una técnica de tratamiento de superficies para crear películas abrasivas y de óxido resistente a la corrosión sobre aluminio. En el tutorial Aluminum Anodization, se utilizan datos experimentales de polarización para modelar la distribución real y el grosor de capa de óxido reultante en una serie de perfiles de aluminio extruidos en una célula de anodización
Distribución de densidad de corriente normalizada en ánodos de aluminio.
La nueva versión 5.3 del módulo proporciona una nueva interfaz Distribución de corriente, Elementos de contorno, una nueva interfaz de Flujo electroforético y nuevas funcionalidades en la interfaz Distribución de densidad de corriente terciaria, Nernst-Planck.
Interfaz Distribución de corriente, Elementos de contorno
La interfaz Distribución de corriente, Elementos de contorno puede utilizarse para resolver problemas de distribución de corriente primaria y secundaria en geometrías basadas en aristas (viga o cable) y elementos de superficie. La interfaz utiliza una formulación del método de elementos de contorno (BEM) para resolver la ecuación de transferencia de carga en un electrolito de conductividad constante, donde los electrodos se especifican en contornos o como tubos con un radio dado alrededor de las aristas. Normalmente se usa esta interfaz para reducir el mallado y el tiempo de resolvedor para grandes geometrías, donde una parte significativa de la geometría puede aproximarse mediante tubos a lo largo de aristas.
Condición de contorno interna de membrana de intercambio de iones en la interfaz Distribución de corriente terciaria, Nernst-Planck
El nuevo nodo de Membrana de intercambio de iones especifica una condición de contorno donde el flujo de iones es continuo, pero donde el potencial del electrolito es discontinuo y se describe por un equilibrio de Donnan. Esta condición se utiliza típicamente en celdas electroquímicas que contienen tanto electrolitos libres como membranas de intercambio de iones, por ejemplo, en problemas de diálisis. Un cambio de potencial de Donnan sobre la interfaz se calcula automáticamente a partir de las concentraciones del ion portador de carga en cada lado de la interfaz.
Potencial del electrolito en una batería de flujo redox de vanadio mostrando los cambios de potencial en las interfaces entre el electrolito libre y la membrana de intercambio de iones.
Nuevos modelos de conservación de carga en la interfaz Distribución de corriente terciaria, Nernst-Planck
Esta interfaz ahora soporta cuatro modelos de conservación de carga diferentes: electroneutralidad, basada en agua con electroneutralidad, soportando electrolito y Poisson.
Funcionalidad de Capa de electrodo fino
La funcionalidad de Capa de electrodo fino puede utilizarse para modelar un revestimiento fino aislante o resistivo, localizado en un contorno interno en un dominio de electrodo. La funcionalidad puede utilizarse como alternativa a dibujar el domino de capa real en la geometría del modelo, lo que reduce significativamente el mallado y el tiempo de resolución, especialmente en modelos 3D. Una capa de electrodo fino puede utilizarse para modelar por ejemplo, una impedancia de contacto entre dos conductores electrónicos. La capa puede configurarse para que sea aislante o resistiva.
Capa de electrolito fino
La funcionalidad de Capa de electrolito fina especifica una capa de electrolito fina en un contorno interno entre dos dominios de electrolito. El nodo puede utilizarse como una alternativa a dibujar la capa real como un dominio en la geometría del modelopar reducir significativamente el mallado y el tiempo de resolución. La condición puede configurarse para que sea aislante, resistiva o una membrana de intercambio de iones. Esta funcionalidad reemplaza a la funcionalidad de Capa aislante fina de versiones anteriores.
Condición de terminal de circuito
Se puede utilizar la funcionalidad de Terminal de circuito en un contorno para especificar un acoplamiento al nodo I vs. U externo en la interfaz de Circuito eléctrico del módulo AC/DC. La condición de Terminal de circuito ahora está disponible como condición de contorno en el nodo Superficie de electrodo y como modo de operación en la interfaz de Baterías de partícula simple. Esto permite incluir modelos de baterías de alta fidelidad en simulaciones de circuitos.
Nueva interfaz de transporte electroforético
La nueva interfaz de Transporte electroforético puede utilizarse para investigar el transporte de ácidos débiles, bases, y anfólitos en solventes acuosos. La interfaz física típicamente se utiliza para modelar varios modos electroforéticos, como electroforesis zonal, isotacoforesis, enfoque isoeléctrico y electroforesis de contorno móvil, pero es aplicable a cualquier sistema acuoso que involucre múltiples equilibrios ácido-base.
Los usuarios del módulo Electrodeposition Module v5.2a encontrarán un nuevo tipo de cinética de electrodo de Equilibrio termodinámico que permite asumir sobrepotencial cero en las simulaciones. Ahora también se pueden añadir tipos de Resistencias de película y Especies disolución-deposición en las simulaciones, que son de utilidad para modelar electrodos porosos y de arista. Más detalles a continuación.
Nueva interfaz de ecuaciones de Nernst-Planck-Poisson
Nueva condición de contorno Corto externo
La nueva condición de contorno de Corto externo permite cortocircuitar Superficies de electrodo, Electrodos porosos y Electrodos a través de una resistencia concentrada externa. La nueva condición de contorno es adecuada para estudiar cortocircuitos de baterías, por ejemplo, o para interconectar grandes objetos activos electroquímicamente en problemas de protección de la corrosión.
Nuevo nodo multifísico de fuente de calor electroquímico
La nueva interfaz multifísica de Fuente de calor electroquímica ofrece una manera opcional de acoplar las fuentes de calor electroquímicas con una interfaz de transferencia de calor.
Nuevo tipo de cinética de equilibrio termodinámico
Las reacciones de electrodo ahora soportan un nuevo tipo de cinético de electrodo de Equilibrio termodinámico (conocido como Condición primaria en la interfaz de Distribución de corriente secundaria), que considera un sobrepotencial cero (pérdidas de tensión despreciables).
Nuevo soporte para Resistencia de película y Especies disueltas-depositada en electrodos porosos y de arista
Los nodos de Electrodo poroso y Electrodo de arista ahora soportan la suma de Resistencias de película y Especies disueltas-depositadas. Previamente ésto solo estaba soportado en la funcionalidad de Superficie de electrodo. Las resistencias de película y las especies disueltas-depositadas en electrodos porosos pueden, por ejemplo, utilizarse para modelar la formación de interfases electrolito-sólido (SEI) en baterías de ion de litio.
Nueva app: Espectroscopía de impedancia electroquímica
La espectroscopía de impedancia electroquímica (Electrochemical impedance spectroscopy o EIS) es una técnica habitual en electroanálisis. Se utiliza para estudiar la respuesta armónica de un sistema electroquímico. Se aplica una variación sinusoidal pequeña al potencial del electrodo de trabajo y se analiza la corriente resultante en el dominio de la frecuencia.
Las componentes real e imaginaria de la impedancia dan información sobre las propiedades cinética y de transporte de masa de la célula, así como las propiedades de superficie a través de la capacidad de doble capa.
El objetivo de la app de análisis Electrochemical Impedance Spectroscopy es comprender los gráficos de Nyquist y Bode de la EIS. La app permite variar la concentración de volumen, el coeficiente de difusión, la densidad de carga de intercambio, la capacidad de doble capa y las frecuencias mínima y máxima.
Interfaz gráfica de usuario de la app de demostración de Electrochemical Impedance Spectroscopy mostrando el gráfico de Nyquist.
Nueva app: Voltametría cíclica
Capa delgada aislante en las interfaces de distribución de corriente primaria, secundaria y terciaria.
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Las láminas delgadas de aislante son insertadas habitualmente en los electrolitos de varios tipos de células electroquímicas. Por ejemplo, pueden ser utilizadas para optimizar. Por ejemplo, pueden utilizarse para optimizar la corriente de distribución en una aplicación de protección de la corrosión o para optimizar la tasa de deposición local en un baño de deposición. La nueva funcionalidad Thin Insulating Layer puede utilizarse para modelar una lámina aislante delgada localizada en un contorno interno en un dominio de electrolito. El nodo puede utilizarse como alternativa para dibujar el dominio de aislamiento real en la geometría del modelo, reduciendo significativamente el tiempo del mallado - especialmente en modelos 3D. |
Interfaces de geometría deformada rediseñada
Compensación para volúmenes de tubo en la interfaz de distribución de corriente en aristas, BEM
Ahora es posible incluir el efecto del volumen de los tubos especificando un radio cuando se utilizan elementos de arista y el método de elemento de contorno (boundary element method o BEM). Esta funcionalidad está disponible en las ecuaciones de transferencia de carga del electrolito en la interfaz Current Distribution on Edges, BEM.
La compensación de volumen en los armazones cilíndricos en una estructura de una plataforma petrolífera se habilita con una casilla de verificación en el nodo Edge Radius.
Nuevo tutorial: Doble capa difusa
En la interfaz electrodo-electrolito, existe una fina capa de carga espacial, llamada la doble capa difusa. En esta región, no se sostiene la electroneutralidad. La doble capa puede ser de interés cuando se modelan dispositivos como supercapacitores electroquímicos y nanoelectrodos.
El tutorial Diffuse Double Layer muestra como acoplar las ecuaciones Nernst-Planck a la ecuación de Poisson para describir una doble capa difusa de acuerdo con el modelo Gouy-Chapman-Stern.
La app de simulación amplía el sencillo ejemplo incluyendo dos electrodos. También considera reacciones faradaicas del electrodo (transferencia de carga). Se resuelve una ecuación adicional para asegurar la conversación global de la carga.
Ahora se dispone de una nueva propiedad, área de sección cruzada, disponible en los modelos 1D para la interfaz electroquímica. Con esta funcionalidad, el área de la celda puede ser especificada y la corriente total de la celda calculada. Además, las funcionalidades del contorno corriente del electrolito y corriente del electrodo ahora están disponibles en 1D.
Las interfaces de la ley de Darcy ahora soportan dominios de elemento infinito y cálculos más avanzados de flujos de contorno.
Este nuevo modelo dispone de un acoplamiento de la convección-difusión y electrodeposición con una geometría deformable en 3D.
Protuberancia de microconector en 3D: Este nuevo modelo dispone de un acoplamiento de la convección-difusión y electrodeposición con una geometría deformable en 3D.
