Electrodeposition Module

Distribuzione di densità di corrente primaria, secondaria e terziaria

COMSOL Multiphysics^® e l'Electrodeposition Module forniscono agli utenti interfacce pronte e di facile utilizzo per la modellazione dei processi di elettrodeposizione. Le funzionalità di base sono coperte dalle interfacce Primary Current Distribution, Secondary Current Distribution e Tertiary Current Distribution. Queste consentono di modellare la distribuzione della corrente e la cinetica di superficie con curve di polarizzazione, e di includere nei modelli gli effetti di trasporto di massa e le reazioni di equilibrio in massa.

Scegliendo una di queste interfacce, l'utente può selezionare il livello di fedeltà necessario per ottenere una descrizione sufficientemente accurata del sistema in esame, sia che il modello debba includere solo effetti ohmici sia che abbia una maggiore complessità, come ad esempio quello che deve includere il trasporto di massa e le reazioni di equilibrio per più specie. COMSOL Multiphysics^® consente di aggiungere senza problemi il numero di specie e reazioni necessarie per un determinato sistema fisico.

Conduzione di corrente in elettrodi shell

L'Electrodeposition Module include un'interfaccia Electrode, Shell per modellare la conduzione di corrente elettrica in direzione tangenziale su un contorno. L'interfaccia è adatta alla modellazione di elettrodi sottili in cui la variazione di potenziale nella direzione normale all'elettrodo è trascurabile. In questo caso, il dominio dell'elettrodo sottile viene sostituito da una formulazione di equazione differenziale parziale sul contorno. Questa sostituzione consente di ridurre le dimensioni del problema e di evitare potenziali problemi di anisotropia della mesh nello strato sottile.

Cinetica delle reazioni elettrochimiche

L'Electrodeposition Module consente la modellazione di reazioni elettrochimiche di trasferimento di carica in cui le espressioni della cinetica possono essere funzioni arbitrarie delle variabili modellate. Queste includono, ad esempio, la concentrazione delle specie chimiche, il potenziale locale dell'elettrodo e dell'elettrolita all'interfaccia elettrodo-elettrolita e la temperatura.

Nell'interfaccia Secondary Current Distribution e nell'interfaccia Tertiary Current Distribution è possibile inserire parametri per la cinetica dell'elettrodo, come la densità di corrente di scambio, i coefficienti di trasferimento di carica anodica e catodica, la stechiometria e il potenziale di equilibrio per le reazioni dell'elettrodo nel sistema. È possibile aggiungere anche reazioni concorrenti su una singola superficie elettrodica, come l'evoluzione dell'idrogeno sull'elettrodo di placcatura. Inoltre, sotto il ramo Chemical Species Transport, è disponibile l'interfaccia Chemistry per la definizione di varie reazioni omogenee ed eterogenee.

Analisi multifisiche avanzate

L'Electrodeposition Module può essere combinato con altri prodotti aggiuntivi della suite di prodotti COMSOL. Ciò consente all'utente di accoppiare la fisica che descrive un processo di elettrodeposizione o di etching con altri moduli, ad esempio con l'Heat Transfer Module per studiare gli effetti termici o con il CFD Module per comprendere gli effetti del flusso turbolento o bifase.

Strati elettrodepositati e composizione

Quando gli strati metallici depositati o le variazioni di spessore dell'anodo sono piccole, il modulo è in grado di tenere traccia dello spessore dello strato placcato e di come questo possa influenzare gli effetti ohmici nell'elettrodo, senza modificare effettivamente la geometria. Viene introdotta una variabile per lo spessore che influenza anche la conduttanza elettrica locale dell'elettrodo. Le variazioni dello spessore dell'elettrodo possono essere calcolate automaticamente dalle espressioni cinetiche dell'elettrodo definendo i coefficienti stechiometrici, la massa molare e la densità del metallo depositato o consumato per le reazioni dell'elettrodo.

Geometria deformata per superfici di elettrodi in movimento

L'Electrodeposition Module contiene interfacce multifisiche predefinite per la modellazione in funzione del tempo delle deformazioni che si verificano come risultato dei processi di deposizione o dissoluzione nelle celle elettrochimiche. Tale modellazione prevede l'uso di una geometria deformante in cui le velocità dei contorni sono prescritte dalle reazioni elettrochimiche.

Inoltre, l'interfaccia Level Set e l'interfaccia Phase Field sono disponibili per la modellazione dell'elettrodeposizione, in cui la topologia della superficie dell'elettrodo cambia in seguito ai processi di elettrodeposizione.

Trasporto di materiale

L'Electrodeposition Module può essere utilizzato per modellare il trasporto di specie chimiche attraverso la diffusione, la convezione e la migrazione in soluzioni diluite. L'interfaccia Transport of Diluted Species in Porous Media è utilizzata per calcolare la concentrazione delle specie e il trasporto in mezzi liberi e porosi. Può essere utilizzata nei casi in cui il substrato in fase solida sia esclusivamente immobile o in cui si presuma che anche il mezzo di riempimento del gas sia immobile.

È disponibile un'interfaccia Nernst-Planck Equations per il calcolo delle concentrazioni negli elettroliti soggetti a campi elettrici. È inoltre disponibile per la modellazione di celle elettrochimiche generiche con gradienti di concentrazione significativi delle specie portatrici di corrente (ioni). Inoltre, l'interfaccia Surface Reactions può essere utilizzata per modellare il trasporto fickiano di specie superficiali.

Trasferimento di calore

Nelle celle elettrochimiche, possono verificarsi perdite di tensione irreversibili a causa del trasporto di carica nell'elettrolita o nei materiali conduttori solidi, dei sovrapotenziali di attivazione nelle reazioni elettrodiche e del calore di miscelazione. Inoltre, possono comparire fonti e dispersori di calore reversibili a causa delle variazioni di entropia nelle reazioni dell'elettrodo.

L'accoppiamento multifisico Electrochemical Heating è disponibile per definire le fonti di calore basate sulla somma del calore irreversibile (riscaldamento Joule e perdite di attivazione) e degli effetti del calore reversibile in un'interfaccia elettrochimica. È inoltre possibile utilizzare le variabili delle fonti di calore definite dalle interfacce elettrochimiche quando si impostano gli accoppiamenti manuali tra i diversi componenti di un modello.