随着仿真技术的发展，仿真模拟技术被运用到了越来越多的科研领域的研发之中。以锂离子电池领域为例，由于各参数对电池性能影响的不确定性，导致了实验设计具有一定的盲目性。传统的穷举法确定参数具有任务繁重、效率低下等缺点，并且难以解决理论问题。作为实验的补充工具，COMSOL Multiphysics可以：（1）在实验之前通过电池建模对各个实验方案进行模拟，预估实验结果，缩小参数范围，提高工作效率。（2）模拟电池工作过程中内部电化学过程，有助于研究人员研究电池内部过程。通过对电池模型的简化、仿真和分析，更有效地管理电池工作状态。（3）与实验数据结合，使得文章内容具有说服力、预见性、新颖性，能够发表到领域中的高级期刊。
目前锂离子电池的热管理、极化现象、SEI膜的稳定性以及电极/电解质界面问题等几个研究热点都可以通过COMSOL Multiphysics进行仿真模拟。
1、COMSOL Multiphysics在电池热管理中的应用
随着动力设备的不断升级，电池开始逐步往大尺寸和模块化方向发展，电池产热问题日益突出，电池热管理也成为电池领域目前研究的重点之一。在充电和放电过程中，电池内部产生热量，如果不及时散掉，会使温度上升，超过锂电池的正常工作范围：20℃~45℃（安全温度范围-30℃~60℃），会影响电池的工作状况、循环效率、容量、功率等性能，进而会影响设备的可靠性、安全性和寿命等。建立锂电池热模型是研究锂离子电池温度分布和变化情况的基本方法，通过研究电池的热效应，优化电池结构，提高电池的安全特性。
COMSOL Multiphysics提供了充足的物理场接口，通过耦合锂离子电池接口与传热接口，可以帮助用户研究锂离子电池热效应。软件具有简单明了的边界条件设置界面，用户容易上手。同时也具有清晰的可视化界面，可以很直观地观察锂离子电池内的温度分布，如下图1所示：
Fig.1. Temperature profile of lithium
除了可以直观地观测温度分布以外，COMSOL Multiphysics还提供了参数扫描功能，可以帮助我们了解不同参数值对电池温度的影响，以及温度对电池其他性能的影响。比如Ralph E. White发表在SCI一区杂志《Journal of Power Sources》上一篇关于电池热效应的文章，详细描述了各种参数对比下锂离子电池温度分布，以及其他性能表现。如图2-4所示：
Fig.2. Temperature on the cell surface during 1C discharge process under different cooling conditions.
Fig.3. Temperature on the cell surface during discharge process under different current rates while the heat transfer coefficient h=1.0Wm-2K-1 where the DOD is defined as: DOD= time * C rate/3600.
Fig.4. Comparison of the concentration profiles of the binary electrolyte at theend of the 1 C discharge process under the isothermal condition and the adiabatic condition.
上图模型显示了在相同放电倍率条件下，对流散热时，外部换热系数越高，电池温度越低，可以帮助我们在设计外部散热器时，根据换热系数，设计散热器的尺寸形状。同时显示了放电倍率越大，电池温度越高，主要是由于大倍率放电时候，副反应越多，电池内阻增大，欧姆热和副反应热同时增大，导致了电池热效应明显，这需要不断去优化电池结构与处理电池材料，减少电池副反应发生。同时也显示了，电解液浓度分布在绝热条件下比等温条件下平坦，说明绝热条件下电解液的扩散性能优于等温条件下电解液的扩散性能，为研究锂离子电池提供了新的思路与方向。
2、COMSOL Multiphysics在电池容量衰减中的应用
在锂离子电池中，除了锂离子脱嵌时发生的氧化还原反应外，还存在着大量的副反应，比如电解液分解、活性物质溶解、金属锂沉积等。副反应和退化过程可能导致各种不良效应，这种不良效应是不可逆的，会造成电池容量的损失。通常，电池由于不同位置同时发生的多个复杂现象和反应而产生老化，在负载循环中，电池所处的阶段不同，其退化程度是不同的，具体取决于电位、局部浓度、温度以及电流的方向。电池的材料不同，其老化程度也不同，不同的材料的组合（例如电极材料的“交叉效应”）可能会进一步加速老化。COMSOL Multiphysics可以帮助研究人员建立电池老化模型，对导致电池老化现象的各种因素进行定量分析，可以清楚地了解电池老化原因，确立研究目标，并对主要问题，集中攻克，提高科研效率，加速锂离子电池的发展过程。如图5-7所示：
Fig.5. Discharge curves at different rates
Fig.6. Battery capacity with the number of cycles
Fig.7. SEI layer thickness at different times
上图模型可以看出随着锂离子电池循环次数增多以及放电倍率增大，电池容量逐渐发生衰减。尤其是当放电倍率超过1C时，放电容量显著衰减。4C时，电池电压达到3V前，电池大约只有50%的理论容量。大量研究证明电池副反应使得SEI膜逐渐增厚是电池容量发生衰减的主要原因，因此，我们也可以利用COMSOL Multiphysic研究SEI膜随时间变化的关系，研究SEI膜形成机理，增强SEI膜的稳定性，降低负电极/电解质界面阻抗。
3、COMSOL Multiphysics在分析电池短路中的应用
电池在充电过程中形成锂枝晶，刺穿电池隔膜，导致电池内部短路,或者受到外部机械刺穿，导致电池短路。长时间的内部短路会导致电池自放电以及局部温度上升。如果温度超过一定值，电解质可能会由于热反应开始分解，导致热失控，降低电池循环性能的同时也使得电池具有安全隐患。可以利用COMSOL Multiphysics对电池短路导致热失控问题进行建模分析，如图8-9所示:
Fig.8. Battery temperature distribution through external
Fig.9. Temperature along the diaphragm - positive
4、COMSOL Multiphysics在分析电池电化学阻抗谱中的应用
电化学阻抗谱（EIS）是研究电极/电解质界面发生的电化学过程的最有力的工具之一，广泛应用于研究锂离子在锂离子电池嵌合物电极活性材料的嵌入和脱出过程。在电池电极上施加一个频率变化的电位扰动，通过阻抗响应可以深入了解电池的多种属性和过程：在高频下，电容、电化学反应和局部电阻等时间尺度较短的过程会影响阻抗。另一方面，在低频下，电解质和活性材料的扩散也会影响阻抗。可以利用COMSOL Multiphysics分析嵌合物电极的EIS特征，探讨EIS谱中个时间常数的归属问题，重点讨论锂离子在正负极活性物质嵌入和脱出过程中相关动力学参数，如电荷传递电阻、活性材料的电子电阻、扩散以及锂离子扩散迁移通过SEI膜的电阻等对电极极化电位和温度的依赖关系。如图10-11所示：
Fig.10. Effects of different parameters on electrochemical
Fig.11. The experimental impedance spectrum and the simulated
5、COMSOL Multiphysics在分析电池电极材料比例中的应用
为了提高电池电极材料的稳定性，通常正负极都包含多种插层材料，尤其是正极材料,通常为多种材料的混合物，例如过渡金属氧化物、多层氧化物和橄榄石等。这些材料可以具有不同的设计属性（如体积分数和粒子大小）、热力学属性（如平衡点位和最大锂离子浓度）、传递属性（如固体扩散系数）以及动力学属性（如插层反应速率常数）。不同的材料配比会对电池的整体性能造成很大的影响，如果利用实验去不断找出最佳比例，工作量大，效率不高。利用COMSOL Multiphysics通过电池建模，分析不同材料配比，可以降低工作量，从而降低实验参数的研究范围，节省了人力物力。如图12-13所示：
Fig.12. Voltage curve of two anode materials with a volume ratio of 1:2 under constant current discharge
Fig.13. Surface concentration of positive active material particles during
总结
随着科学技术的快速发展，锂离子电池研究不再盲目依赖于实验研究，而是先利用软件对电池进行建模，通过电化学仿真对电池进行各方面性能的预测，再制定详细的实验方案，进行实验验证。目前，最新发行的COMSOL Multiphysics 5.4版本新添加了电池等效电路模块、集总电池模块，可以使用户根据工作需要更加方便的建立自己的模型。同时还具有数学模块，使得在现有物理接口无法满足建模需求时，用户可以根据建模需求灵活地使用数学接口，建立更精确的模型。我们相信，随着仿真软件的逐步优化，在未来会有越来越多研究人员利用COMSOL Multiphysics等有限元仿真软件对电池机理进行研究。在发表文章时，用户可以利用软件分析数据丰富文章内容，使文章整体内容充实漂亮，框架逻辑清晰明了，帮助研究人员将文章发表到领域高级期刊，同时提高文章的影响因子。
为了让更多科研人员能够迅速且科学地掌握有限元仿真模拟这一前沿高效的数据分析手段，北京中科幻彩动漫科技有限公司举办主题为“科研模拟•学术仿真”的文章档次提升专题培训。
科研模拟•学术仿真专题培训会
时间：
2019年04月27-28日 上海•上海科技大学
2019年06月01-02日 北京•中科院过程所
2019年06月08-09日 上海•上海科技大学
2019年07月06-07日 北京•中科院过程所
课程概要
提高文章中稿率、冲高影响因子的关键，在于数据的说服力是否足够强大。实验结果不理想，数据不够完美，论文内容缺乏支撑，这些问题有限元仿真模拟都可以轻松解决。帮助文章轻轻松松更上一区，让你的实验结果从此告别“差强人意”，高影响因子不是梦！
在当今的高档次科研论文中我们能够见到许多工作都使用到了仿真模拟来阐述科学问题。一直以来仿真模拟就是一项重要的科研技能，在许多物理和工程类学科（力学，光学，流体力学，电磁学，声学，化工）中发挥着不可替代的作用。许多科研工作的理论分析，结构设计和优化都依靠仿真模拟来完成。近年来随着交叉学科的发展，仿真模拟的需求也不限于上述的学科，在新兴的材料科学，能源科学，生命科学的研究工作中也越来越多的应用到仿真模拟这一工具。另一方面随着友好易用的商用仿真模拟软件COMSOL的出现，仿真模拟不再是一项需要深厚理论基础的高门槛技术。通过COMSOL软件的使用，越来越多的科研工作者可以利用仿真模拟帮助自己的研究工作。
本课程专门针对科研学术领域，为学员提供仿真模拟软件COMSOL Multiphysics 软件使用的全面详细讲解。课程从入门级内容开始，循序渐进地讲解数值仿真中的模型分析方法，以及建模操作流程（其中包括创建几何、网格剖分、设定物理场、求解及结果的后处理等），让学员全面掌握整个建模流程，并能够独立地使用 COMSOL 求解相关仿真问题。有无基础的学员均可参加培训，我们将根据学员的专业背景和软件基础量身定制课程内容。
课程内容
1. 入门有限元仿真模拟
有限元方法的基本内涵，仿真模拟基本理论的讲解，以及该方法在科学研究中的广泛应用领域和重要意义，能够帮助科研人员解决的实际问题，不同仿真模拟软件（COMSOL ANSYS Abaqus）的特点和在科研上运用的优缺点比较；
COMSOL 软件介绍及基本操作演示和教学，包括软件界面学习、创建和导入几何模型、物理场设置、网格剖分与求解和结果后处理等。
2. 有限元模拟的一般思路和通用方法
理解线性和非线性有限元法的理论基础，了解COMSOL 多物理场仿真软件的基本知识，以典型的多物理场模拟为入门教学案例，帮助学员迅速入门并掌握有限元分析方法的基本思路，并能够灵活应用于自己的研究领域。
3. COMSOL软件的高级使用技巧
结合大量科研实际案例进行实践操作过程的演示教学，包括几何建模注意事项，优化网格划分的方法与技巧，结果后处理与复杂图表的绘制方法，多物理场耦合的方法与技巧，通过函数、变量与自定义方程的使用模拟复杂的问题等，深入学习COMSOL软件的高级操作技巧，并结合学员科研背景进行案例演示，进一步挖掘实操中的常用技巧。
4. 多物理场仿真建模的高效技术解决方案
结合实例学习多物理场仿真有限元法的数学理论基础，多物理场耦合的分析方法和注意事项，添加方程式及耦合分析；求解时域，频域和特征值问题；移动网格和自适应网格方法，查找，理解和排除建模中的错误，用户工作效率最大化的有效建模，仿真模拟在科研中的实战演练，结合学员背景与最新顶级期刊案例进行仿真模拟实战训练，进一步深入学习COMSOL软件的指导与建议，针对科研工作中的问题和老师当面交流，理清思路，解决模拟困难。
部分教学案例展示
• 几何建模注意事项
• 优化网格划分的方法与技巧
• 结果后处理与复杂图表绘制
• 多物理场耦合的方法与技巧
• 通过函数、变量与自定义方程的使用模拟复杂的问题
• 纳米摩擦发电机仿真模拟
• 微流体物质混合模拟
• 金属光栅衍射
学员作品
模拟案例
更多案例展示请登陆中科幻彩官网
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讲师简介
Dr. Li
中科幻彩仿真模拟事业部技术总监
中国科学院博士
美国加州大学洛杉矶分校博士后
全国物理奥林匹克竞赛金牌、美国数学建模大赛一等奖（Final Winner）
以第一作者在Nature Communications/ Science Advances/ Advanced Materials/ JACS 等顶级杂志发表多篇论文
八年化学/材料/物理/工程/生物仿真模拟经验
百余个通过模拟显著提升文章档次的案例
课程福利
凡报名培训的学员将免费获赠COMSOL高级建模指导资料，科研常用有限元模拟案例模型文件及各学科领域计算公式资料文件。
往期现场
报名通道
时间地点：
2019年4月27-28日 上海•上海科技大学
2019年6月01-02日 北京•中科院过程所
2019年6月08-09日 上海•上海科技大学
2019年7月06-07日 北京•中科院过程所
注册费用
原价：2990元/人
团报价：2790元/人（3人及以上）
报名咨询：17611790910（毛老师）
提供正规发票（包括会议注册表、邀请函等报销材料）、费用包含两日午餐和资料。住宿及其他费用自理。
报名方式
扫描下方二维码在线填写报名表，自主选择场次，工作人员会在收到报名信息的第一时间电话联系确认相关信息。
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1.银行转账汇款（由中科卓研代收）
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3.现场刷卡/现金
培训当天可刷公务卡或现金或微信支付，请扫码填写报名信息以便我们提前为您准备发票等报销手续。
常见问题
Q：有限元仿真模拟对我的论文有怎样的帮助，真的能提高文章档次吗？
A：对于一部分的研究领域，例如人工超材料，理论上的模拟计算可以说是必不可少的。而对于更多的研究领域，模拟计算可以作为实验的补充，能进一步验证实验的结论，提高结论的说服力。理论模拟丰富了文章的内容，在工作量上也使文章更充实。另外模拟计算很多时候可以优化实验设计，提高实验效率。
Q：我是零基础学员，两天的时间也能学会吗？
A：我们的培训就是针对零基础学员的。我们的课程一方面讲授模拟软件的使用，更重要的是另一方面讲解科研中的理论建模的思维方法。如何把模拟加入自己的科研工作，提升文章的质量。
Q：什么专业方向都可以做有限元模拟吗？
A：有限元方法是一种一般性的数值计算的方法，用来求解各种偏微分方程，理论上只要是能用偏微分方程描述的物理化学过程都可以都用有限元方法求解。有限元不仅在各个物理学科和工程领域这些传统领域有广泛的应用，而且现在越来越多的运用到交叉学科的研究中，例如柔性传感器件，能源器件，生物工程，微流控等等几乎目前所有的热门研究领域。
Q：每场培训有多少学员呀？不会是那种人山人海的大课吧？
A：为保证教学质量，也为学员营造舒适的学习环境，我们每场培训都会将招生人数限制在30人以内，以保证良好的课堂秩序，同时安排助教协助学员进行软件安装、现场答疑、课堂辅助教学等。
Q：我是慢热型的学生，接受新知识慢，一次学不够怎么办？
A：老学员可以免费复听，一次报名终身免费复学，只要你学不够，我们就一直教下去～
Q：可以开具发票进行报销吗？
A：当然可以！我们将为学员开具正规发票，并可以根据学员报销需求提供培训邀请函、项目明细清单、会议注册表等材料，并在培训当天将发票和报销材料发放给学员。
Q：培训提供食宿吗？
A：我们为学员提供两日培训的午餐。住宿和晚餐自理，我们会在报名确认邮件中发送周边酒店信息，方便学员选择和预定。