Module Electrodeposition

Distributions de courant primaire, secondaire et tertiaire

COMSOL Multiphysics^® et le module Electrodeposition fournissent aux utilisateurs des interfaces conviviales et prêtes à l'emploi pour modéliser des procédés d'électrodéposition. Les fonctionnalités de base sont couvertes par les interfaces Distribution de courant primaire, Distribution de courant secondaire et Distribution de courant tertiaire. Celles-ci permettent de modéliser la distribution de courant ainsi que les cinétiques en surface avec des courbes de polarisation et de prendre en compte les effets de transport de masse et de réactions à l'équilibre dans les modèles.

En choisissant l'une de ces interfaces, l'utilisateur peut sélectionner le niveau de précision nécessaire pour obtenir une description suffisamment fidèle du système en question, si le modèle doit uniquement inclure les effets ohmiques ou si celui-ci est plus complexe et nécessite d'inclure par exemple le transport de masse et les réactions d'équilibre pour plusieurs espèces. COMSOL Multiphysics^® permet d'ajouter de manière transparente autant d'espèces et de réactions que nécessaire pour un système physique donné.

Courant de conduction dans les électrodes minces

Le module Electrodeposition inclut une interface Electrode, Coque pour modéliser la conduction du courant électrique dans la direction tangentielle au niveau d'une frontière. Cette interface est adaptée à la modélisation d'électrodes minces où la variation de potentiel dans la direction normale à l'électrode est négligeable. Dans ce cas, le domaine géométrique d'électrode mince est remplacé par une formulation d'équations aux dérivées partielles sur la frontière. Cette substitution permet de réduire la taille du problème et d'éviter d'éventuelles difficultés liées à l'anisotropie du maillage à travers l'épaisseur.

Cinétiques de réactions électrochimiques

Le module Electrodeposition permet de modéliser des réactions électrochimiques de transfert de charge où les expressions cinétiques peuvent être des fonctions arbitraires des variables représentées. Cela inclut, par exemple, les concentrations d'espèces chimiques, le potentiel local de l'électrode et de l'électrolyte à l'interface électrode-électrolyte, et la température.

Dans les interfaces Distribution de courant secondaire et Distribution de courant tertiaire, des paramètres peuvent être entrés pour les cinétiques à l'électrode, tels que la densité de courant d'échange, les coefficients de transfert anodique et cathodique, la stoechiométrie et le potentiel d'équilibre pour les réactions à l'électrode de votre système. D'autres réactions peuvent également être ajoutées sur une surface d'électrode, comme l'évolution d'hydrogène où le dépôt se forme. Egalement, dans la catégorie Transport d'espèces chimiques, l'interface Chimie est disponible pour définir diverses réactions homogènes et hétérogènes.

Analyses multiphysiques étendues

Le module Electrodeposition peut être combiné avec d'autres modules additionnels de la suite de produits COMSOL. Cela permet à l'utilisateur de coupler la physique décrivant un procédé de placage ou de gravure avec d'autres modules, par exemple avec le module Heat Transfer pour étudier des effets thermiques ou avec le module CFD pour comprendre les effets apportés par des écoulements tourbillonnaires, turbulents ou diphasiques.

Couches de dépôt et composition

Lorsque les couches de dépôt de métal ou les variations d'épaisseur à l'anode sont faibles, le module dispose de fonctionnalités pour suivre l'épaisseur de la couche de dépôt et son influence sur les effets ohmiques dans l'électrode, sans reconstruction de la géométrie. Une variable pour l'épaisseur est alors introduite, affectant également de facon locale la conductivité électrique de l'électrode. Les changements d'épaisseur de l'électrode peuvent être calculés automatiquement à partir des expressions cinétiques à l'électrode en définissant les coefficients de stoechiométrie, la masse molaire et la densité de métal déposé ou dissous par les réactions à l'électrode.

Géométrie déformée pour les surfaces mobiles d'électrodes

Le module Electrodeposition inclut des interfaces multiphysiques prédéfinies pour la modélisation temporelle des déformations se manifestant suite aux processus de déposition ou de dissolution dans des cellules électrochimiques. Une telle modélisation implique l'utilisation d'une géométrie déformée où les vitesses appliquées sur les frontières sont imposées par les réactions électrochimiques.

En outre, l'interface Level Set et l'interface Champ de phase sont utilisées pour modéliser l'électrodéposition dans le cas où la topologie de la surface de l'électrode change en conséquence du procédé.

Transport de matière

Le module Electrodeposition est utilisé pour modéliser le transport d'espèces chimiques par diffusion, convection et migration dans des solutions diluées. L'interface Transport d'espèces diluées en milieu poreux est adaptée au calcul de la concentration des espèces ainsi qu'aux phénomènes de transport en milieu libre et poreux. Elle est utilisée dans les cas où le substrat à l'état solide est totalement immobile ou lorsqu'un milieu rempli de gaz est également supposé immobile.

Une interface Équations de Nernst-Planck est disponible pour calculer les concentrations dans les électrolytes soumises à des champs électriques. Elle est également proposée pour la modélisation de cellules électrochimiques génériques, présentant des gradients de concentration significatifs pour les espèces porteuses de courant (ions). En outre, l'interface Réactions de surface est utilisée pour modéliser le transport d'espèces en surface avec la loi de Fick.

Transferts thermiques

Dans les cellules électrochimiques, des pertes de tension irréversibles peuvent se produire en raison des transports de charges dans l'électrolyte ou dans les matériaux conducteurs solides, des surpotentiels d'activation dans les réactions à l'électrode, et de la chaleur de mélange. En outre, des sources et des puits de chaleur réversibles peuvent apparaître en raison des changements d'entropie dans les réactions aux électrodes.

Le couplage multiphysique Chauffage électrochimique est disponible pour définir les sources de chaleur basées sur la somme de chaleur irréversible (chauffage par effet Joule et pertes d'activation) et d'effets thermiques réversibles décrits dans une interface d'électrochimie. Vous disposez également des variables de sources de chaleur définies par les interfaces d'électrochimie lors de la mise en place de couplages manuels entre différents composants d'un modèle.