基于Comsol Multiphysics對聚偏氟乙烯儲能密度的仿真研究

林鐸 陳芬生 梁珀榮 陳駿耀

摘要：近年來，聚偏氟乙烯（PVDF）由于其擁有較高的耐擊穿電壓特性，因此以其為基體的復合材料常被用于做薄膜電容器的電介質(zhì)。本文基于多物理場仿真軟件Comsol Multiphysics對聚偏氟乙烯薄膜電容器進行建模仿真，探究其儲能密度。

關(guān)鍵詞：Comsol Multiphysics；儲能密度；薄膜電容器；聚偏氟乙烯（PVDF）；耐擊穿電壓

一、引言

近年來隨著手機、PAD以及筆記本等便攜式設(shè)備普及和發(fā)展，對儲能電容器提出了小型化、低成本、輕質(zhì)量、高可靠性及高能量密度等更高要求。因此，如何在有限的器件空間里儲存更多的能量，即提高器件的儲能密度成為了研究重點。薄膜電容器是一種儲能密度較高的儲能器件。薄膜電容器的儲能密度與其本身電介質(zhì)和加在其上面的電場強度有關(guān)。本文使用多物理場仿真軟件Comsol Multiphysics對聚偏氟乙烯充當電介質(zhì)的薄膜電容器進行建模仿真，探究其儲能密度。

二、Comsol Multiphysics多物理場仿真軟件介紹

Comsol Multiphysics擁有多種物理場接口，如靜電場，磁場等，涵蓋了電學，聲學，化學，電化學，流體學，熱力學，光學，半導體學，結(jié)構(gòu)力學等多種學科和領(lǐng)域。Comsol Multiphysics的核心功能在于可以把這些物理場耦合起來進行仿真，最大程度的模擬實際的實驗，可以快速的得到仿真實驗的結(jié)果，具有省時省力的特點，還可以用于在實際實驗前對實驗的可行性先進行探究，作為判斷是否有必要進行實際實驗的依據(jù)之一。本文使用Comsol Multiphysics里的靜電場接口進行仿真。

三、實驗原理

四、建模仿真與實驗結(jié)果

本文以Jiaojiao Wei[1]的實驗為基礎(chǔ)進行建模仿真。選取PVDF作為平行電容板的電介質(zhì)，設(shè)定PVDF的相對介電常數(shù)為9.07，對電容板施加電壓為867V[1]，探究其最大儲能密度。

基本步驟如下：

（1）新建Comsol Multiphysics模型，對模型的基本設(shè)置進行配置

模型向?qū)Аx擇空間維度（三維）→選擇物理場（靜電）→選擇研究（穩(wěn)態(tài)）；

（2）構(gòu)建幾何模型

選擇長度單位（μm）→新建圓柱1體用作電介質(zhì)（半徑10，高度12）→新建圓柱體2及其鏡像用作平行板（半徑10，高度0.5）；

（3）配置幾何模型的材料

增加材料→選擇PVDF→配置PVDF的介電常數(shù)為9.07[1]→配置PVDF的幾何實體（選擇所有域）；

（4）配置靜電場

配置靜電場的域（選擇所有域）→新建終端（選擇域為圓柱體2，選擇電壓為867V）→新建接地（選擇域為圓柱體2的鏡像）；

（5）配置網(wǎng)格

新建自由剖分四面體網(wǎng)格 1→尺寸選擇較粗化；

（6）配置研究

選擇生成缺省圖→計算結(jié)果；

（7）配置缺省圖

替換電勢3D繪圖組的表達式為es.W，單位為J/m3。

仿真實驗所得薄膜電容器的儲能密度為2.12×105 J/m3（0.21J/cc），與Jiaojiao Wei[1]的實驗結(jié)果（表1所示）保持一致，可認為模型正確。

五、結(jié)語

本文利用Comsol Multiphysics建立了一個較為準確的模型，準確地對聚偏氟乙烯薄膜電容器的儲能密度特性進行了仿真探究，得到的結(jié)果與實際實驗數(shù)據(jù)相一致。隨著電動汽車、便攜式移動設(shè)備等產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，對電子器件的儲能密度要求越來越高，可以利用本文的方法對聚偏氟乙烯等各種電介質(zhì)材料進行建模，分析其儲能密度、耐擊穿電壓、局域漏電流等介電性能。

參考文獻：

[1]位姣姣.高儲能密度電容器用聚合物薄膜介電擊穿特性研究[D].電子科技大學.2015.