模擬電池需要不同程度的細節，這取決於模擬的目的。電池設計模組 (Battery Design Module) 是 COMSOL Multiphysics 軟件的附加模組，涵蓋了從電池多孔電極中的詳細結構到包括熱管理系統的電池組尺度的大範圍描述。
這些描述涉及物理現象，如帶電和中性物種的傳輸、電荷平衡、化學和電化學反應、焦耳熱和由於電化學反應產生的熱效應、熱傳遞、流體流動以及其他對於理解電池系統重要的物理現象。對於涉及燃料電池和電解器、腐蝕、電鍍和一般電化學的項目，有其他具有專門功能的附加產品可用。
鋰離子電池 (Lithium-Ion Batteries)
電池設計模組 (Battery Design Module) 包含了鋰離子電池的最先進模型。您將會發現不同的老化機制和高保真模型，例如紐曼模型 (Newman model)，可用於一維 (1D)、二維 (2D) 和完整的三維 (3D)。除了單獨對電化學反應進行建模，您還可以將其與熱傳遞結合起來，並考慮由於鋰嵌入造成的膨脹和收縮引起的結構應力和應變。該模組還提供了設置異質模型的功能，這些模型描述了孔隙電解質和電極顆粒的實際形狀。研究電池的微觀結構有助於更深入地理解電池性能。
鉛酸電池 (Lead–Acid Batteries)
對於鉛酸電池的模擬，軟體包括離子電位和電解液組成的依賴變量，以及固體電極中的電位和孔隙度。該模型考慮了固體的溶解和沉積。內置功能還允許您研究各種設計參數如何影響電池性能，例如電極和隔板的厚度和幾何形狀、電流收集器和供料器的幾何形狀等。
通用電池 (Generic Batteries)
電池設計模組的核心是帶有正極、負極和隔板的電池單元的詳細模型。通過對多孔電極的通用描述，您可以在電極中定義任意數量的競爭反應，並將其與任意組成的電解液耦合。該模組允許您描述任何組成的孔隙電解液和隔板中的電解液，結合多孔電極理論，使用濃縮、稀釋（Nernst–Planck 方程）和支持電解質的理論。
您可以使用電池設計模組建模的內容
使用 COMSOL 軟體進行各種電池的電化學分析
異質和均質模型 (Heterogeneous and Homogeneous Models)
為電池的代表性單元格模擬多孔電極和孔隙電解液的詳細結構。
固態電解質界面 (SEI) 的生長 (Growth of Solid Electrolyte Interface)
模擬鋰離子電池中負極石墨電極的老化。
由擴散引起的應力 (Diffusion-Induced Stress)
計算由擴張和收縮引起的嵌入應力和應變。
短路 (Short-Circuiting)
調查電池的內部短路。
偽維度 (Pseudo-Dimension)
模擬電極顆粒中鋰的嵌入。
雙層電容 (Double-Layer Capacitance)
模擬電化學電容器和納米電極。
鎳氫和鎳鎘電池 (NiMH and NiCd Batteries)
模擬具有鹼性二元（1:1）電解質的電池。
液流電池 (Flow Batteries)
在施加充放電負載循環期間模擬鉛酸和釩流動電池。
金屬鍍層 (Metal Plating)
指定電極主體容量以避免在高速充電期間發生鋰金屬鍍層。
孔隙度效應 (Porosity Effects)
模擬受多孔介質中物種傳輸影響的化學反應。
阻抗譜學 (Impedance Spectroscopy)
使用基於物理的高保真模型研究電池的諧振響應。
集總式模型與參數估計 (Lumped Models with Parameter Estimation)
定義一個基於一小組綜合參數的簡化電池模型，這些參數將高保真模型的結果與實驗結果相匹配。
熱失控 (Thermal Runaway)
使用基於事件的熱源模擬電池組中的熱失控傳播。
電池設計模組中的功能和特性
電池設計模組提供了一套專門的工具，用於模擬不同操作條件下電池的性能
電池組建模 (Battery Pack Modeling)
對於三維電池組的更快速熱分析，可以使用經過驗證的綜合（簡化）模型來模擬每個電池組中的每個電池。一旦經過驗證，綜合模型在特定操作範圍內可能具有極好的準確性。電池設計模組包含基於物理的綜合模型，可在多個空間維度中解決電化學方程式。
液流電池 (Single Particle Battery interface) 使用一個單獨的單粒子模型分別為電池的正極和負極來模擬電池中的電荷分佈。綜合電池界面 (Lumped Battery interface) 使用一小組綜合參數來添加電池中所有電壓損失的總和，這些損失源自歐姆電阻，並且可選擇性地包括電荷轉移和擴散過程。為了設置多個綜合電池模型並將它們連接在三維幾何中，提供了一個電池組界面 (Battery Pack interface) 用於模擬熱管理。該界面通常與熱傳遞界面 (Heat Transfer interface) 一起使用，並且具有可用於研究熱失控傳播問題的熱事件。此外，您可以使用電池等效電路界面 (Battery Equivalent Circuit interface) 根據任意數量的電路元件定義電池模型。
高保真電池建模 (High-Fidelity Battery Modeling)
鋰離子電池界面 (Lithium-Ion Battery interface) 用於計算鋰離子電池中的電位和電流分佈。可以使用多種嵌鋰電極材料，並且還包括由於固態電解質界面 (SEI) 層造成的電壓損失。
帶有二元電解質的電池界面 (Battery with Binary Electrolyte interface) 用於計算通用電池中的電位和電流分佈。可以使用多種嵌鋰電極材料，並且還可以包括由於在多孔電極上形成薄膜造成的電壓損失。
具有任意數量電化學反應的多孔電極 (Porous Electrodes with an Arbitrary Number of Electrochemical Reactions)
電池系統和化學反應通常受到電極上不希望的副反應的影響，您可以研究它們對充放電循環以及自放電的影響。
您能夠模擬的典型副反應包括氫氣釋放 (hydrogen evolution)、氧氣釋放 (oxygen evolution)、固態電解質界面的生長、金屬鍍層 (metal plating)、金屬腐蝕 (metal corrosion) 和石墨氧化 (graphite oxidation)。
嵌入物種和多孔結構中的傳輸 (Intercalating Species and Transport in Pore Structures)
多孔電池電極中的顆粒可以是固體（如鋰離子電極）或多孔（如鉛酸、鎳鎘）。對於固體顆粒，電極中的孔隙度位於緊密排列的顆粒之間。然而，對於小原子如氫和鋰原子，傳輸和反應可能發生在固體顆粒內。這些嵌入物種通過沿固體顆粒半徑定義的單獨擴散-反應方程來模擬。嵌入物種的通量在顆粒表面與在顆粒間的孔隙電解液中傳輸的物種耦合。嵌入物種和反應對於鋰離子電池是預定義的，但您可以使用相同的功能來模擬例如在鎳氫電池中氫的嵌入。
對於多孔顆粒，獲得一個雙模孔結構：緊密排列的顆粒之間的大孔結構和顆粒內部的微孔結構。多孔顆粒中的反應-擴散方程以類似於固體顆粒中物種嵌入的方式定義。
全暫態和阻抗譜學研究 (Fully Transient and Impedance Spectroscopy Studies)
電池系統通常是在運行期間難以研究的封閉系統。可以使用暫態方法，如電位階躍、電流中斷和阻抗譜學，在運行期間對電池進行表徵。
通過進行暫態研究，您可以在不同的時間尺度和頻率下進行參數估計，以分離歐姆、動力學、傳輸和其他可能導致電池老化的損失。使用暫態技術、建模和參數估計，您可以對電池系統的健康狀態進行非常準確的估計。
內置熱力學和材料性質 (Built-In Thermodynamics and Material Properties)
模組中包含的電池材料資料庫包含許多常見電極和電解質的條目，大大減少了創建新電池模型所需的工作量。
在電池系統建模中，收集輸入數據並一致使用它是更耗時且容易出錯的步驟之一。例如，重要的是正極和負極在相同的參考系統中被定義。在它們被整合到同一個電池系統模型之前，平衡電極（半電池）電位必須被測量或校準到相同的參考電極、電解質和溫度。
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