Modeling of Electromagnetic Processes in a Nonlinear Circuit of an Electrolyzer for Pulse Deposition of Metal Coatings
Loading...
Date
2025
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Publisher
Український державний університет науки і технологій, ННІ «Дніпровський металургійний інститут», ІВК ≪Системні технології≫, Дніпро
Abstract
ENG: The primary objective of this study is to construct a comprehensive analytical model describing the electromagnetic processes in a nonlinear electrical circuit of an electrolyzer operating under pulsed electrodeposition conditions. Special attention is given to the influence of reversed rectangular voltage pulse parameters on the near-cathode voltage drop, deposition current, and the general electrochemical behavior of the system. The goal is to identify optimal operation modes of the pulse power supply that ensure high-quality metal coatings while minimizing energy consumption and structural defects. Methodology. The research employs the method of variable transformation to develop a set of differential equations describing the dynamic behavior of voltage and current in a nonlinear electrolyzer circuit during pulsed operation. The model accounts for critical circuit components: resistive, capacitive, and inductive elements of the electrolyte, as well as nonlinear conductances reflecting electrochemical properties. Analytical expressions for voltage drop and deposition current are derived for both the forward and reverse pulse intervals. The model includes the influence of electrolyte inductance–an often-neglected factor–which significantly alters the current front shape and ultimately affects deposition kinetics and coating characteristics. Numerical simulations are performed to validate the analytical solutions. Results. Closed-form analytical expressions were obtained for the time-dependent near-cathode voltage drop and deposition current under pulsed conditions. It was shown that the electrolyte inductance leads to a rounding of the current front, influencing both the amplitude and stability of the electrochemical reactions. A parametric analysis identified that the optimal pulse duty cycle lies in the range of τ/T ≈ 0.73 to 0.78. Within this interval, the maximum near-cathode voltage drop does not exceed 0.6 V, while the peak voltage and total current remain within safe technological limits (up to 13 V and 150 A, respectively). The average partial discharge current at the cathode remains stable at approximately 70 A, ensuring consistent deposition rates. Scientific novelty. This work introduces a novel analytical approach to modeling pulsed electrodeposition that, for the first time, includes the effect of electrolyte inductance. Unlike existing models relying heavily on numerical simulations, the proposed model allows for direct computation of key process parameters. It enables the derivation of precise criteria for determining the optimal ranges of input pulse parameters–both in amplitude and duration–necessary to avoid the formation of crystalline defects and to achieve uniform, high-quality coatings. These innovations significantly advance the theoretical understanding of pulsed electrochemical processes. Practical significance. The developed model provides a valuable tool for industries that utilize electrochemical metal deposition, including microelectronics, galvanics, mechanical engineering, and power systems. It offers a foundation for designing advanced pulse power supplies with optimized operation modes and supports the development of automated control systems for deposition processes. Furthermore, the model can aid in adapting laboratory results for industrial implementation, improving coating quality, process efficiency, and operational reliability.
UKR: Метою даного дослідження є побудова аналітичної моделі електромагнітних процесів у нелінійному електричному колі електролізера, який працює в режимі імпульсного осадження металевих покриттів. Особливу увагу приділено впливу параметрів реверсованої прямокутної напруги на прикатодний спад напруги, струм осадження та загальні електрофізичні характеристики процесу. Дослідження спрямовано на виявлення оптимальних режимів роботи джерела живлення, які забезпечують найвищу якість осадженого шару при мінімальних енергетичних затратах. Для опису процесів у колі було використано метод перетворення змінних та побудовано систему диференціальних рівнянь, що відображає динаміку напруги та струму в умовах імпульсного живлення. У моделі враховано ключові елементи кола: активний опір, ємність, індуктивність електроліту, а також нелінійні провідності, що характеризують електрохімічну поведінку системи. Для аналізу якості покриття здійснено моделювання в інтервалах прямого та зворотного імпульсів із подальшим визначенням максимальних і мінімальних значень прикатодного спаду напруги та повного струму. Проведено чисельне порівняння з аналітичними результатами для перевірки точності моделі. У результаті дослідження отримано замкнені аналітичні вирази, які описують часові залежності напруги та струму осадження. Показано, що індуктивність електроліту суттєво впливає на форму імпульсу струму та, відповідно, на кінетику росту покриття. Встановлено, що оптимальне співвідношення тривалості прямого та зворотного імпульсів лежить у межах τ/T≈0.73...0.78. У цьому діапазоні максимальні значення прикатодного спаду напруги не перевищують 0.6 В, а загальний струм та напруга джерела залишаються у безпечних межах (до 150 А та 13 В відповідно). Водночас середній частковий струм розряду іонів металу на катоді становить приблизно 70 А, що свідчить про стабільну швидкість осадження. Запропоновано нову аналітичну модель електролізера, яка вперше враховує індуктивність електроліту в імпульсному режимі. Це дозволило розширити існуючі підходи до моделювання електрохімічних процесів та отримати точні формули для ключових параметрів без необхідності повномасштабного чисельного моделювання. Також встановлено кількісні критерії, що визначають граничні значення параметрів напруги й тривалості імпульсів, за яких забезпечується мінімізація дефектів кристалічної структури покриття. Результати дослідження мають прикладне значення для галузей, де застосовується електрохімічне осадження –зокрема, у мікроелектроніці, гальванотехніці, машинобудуванні та енергетиці. Запропоновану модель можна використовувати як основу для створення сучасних імпульсних джерел живлення з оптимізованими режимами роботи. Крім того, вона стане в пригоді при розробці систем автоматизованого контролю процесів осадження та адаптації лабораторних рішень до умов промислового виробництва.
UKR: Метою даного дослідження є побудова аналітичної моделі електромагнітних процесів у нелінійному електричному колі електролізера, який працює в режимі імпульсного осадження металевих покриттів. Особливу увагу приділено впливу параметрів реверсованої прямокутної напруги на прикатодний спад напруги, струм осадження та загальні електрофізичні характеристики процесу. Дослідження спрямовано на виявлення оптимальних режимів роботи джерела живлення, які забезпечують найвищу якість осадженого шару при мінімальних енергетичних затратах. Для опису процесів у колі було використано метод перетворення змінних та побудовано систему диференціальних рівнянь, що відображає динаміку напруги та струму в умовах імпульсного живлення. У моделі враховано ключові елементи кола: активний опір, ємність, індуктивність електроліту, а також нелінійні провідності, що характеризують електрохімічну поведінку системи. Для аналізу якості покриття здійснено моделювання в інтервалах прямого та зворотного імпульсів із подальшим визначенням максимальних і мінімальних значень прикатодного спаду напруги та повного струму. Проведено чисельне порівняння з аналітичними результатами для перевірки точності моделі. У результаті дослідження отримано замкнені аналітичні вирази, які описують часові залежності напруги та струму осадження. Показано, що індуктивність електроліту суттєво впливає на форму імпульсу струму та, відповідно, на кінетику росту покриття. Встановлено, що оптимальне співвідношення тривалості прямого та зворотного імпульсів лежить у межах τ/T≈0.73...0.78. У цьому діапазоні максимальні значення прикатодного спаду напруги не перевищують 0.6 В, а загальний струм та напруга джерела залишаються у безпечних межах (до 150 А та 13 В відповідно). Водночас середній частковий струм розряду іонів металу на катоді становить приблизно 70 А, що свідчить про стабільну швидкість осадження. Запропоновано нову аналітичну модель електролізера, яка вперше враховує індуктивність електроліту в імпульсному режимі. Це дозволило розширити існуючі підходи до моделювання електрохімічних процесів та отримати точні формули для ключових параметрів без необхідності повномасштабного чисельного моделювання. Також встановлено кількісні критерії, що визначають граничні значення параметрів напруги й тривалості імпульсів, за яких забезпечується мінімізація дефектів кристалічної структури покриття. Результати дослідження мають прикладне значення для галузей, де застосовується електрохімічне осадження –зокрема, у мікроелектроніці, гальванотехніці, машинобудуванні та енергетиці. Запропоновану модель можна використовувати як основу для створення сучасних імпульсних джерел живлення з оптимізованими режимами роботи. Крім того, вона стане в пригоді при розробці систем автоматизованого контролю процесів осадження та адаптації лабораторних рішень до умов промислового виробництва.
Description
O. Bondar: ORCID 0000-0003-3884-5589; Ye. Gurin: ORCID 0009-0006-1346-5191; O. Koliadenko: ORCID 0009-0006-1983-8673; V. Bashko: ORCID 0009-0007-7820-1944; V. Pilipenko: ORCID 0009-0004-7301-2501
Keywords
metal electrodeposition, pulsed electrolysis, reversed rectangular voltage, analytical modeling, near-cathode voltage drop, electrolyte inductance, deposition current, process optimization, електроосадження металів, імпульсний електроліз, реверсована прямокутна напруга, аналітичне моделювання, прикатодний спад напруги, індуктивність електроліту, струм осадження, оптимізація режиму, КЕТЕМ
Citation
Bondar O., Siversky S., Gurin Ye., Koliadenko O., Bashko V., Kopysov V., Pilipenko V. Modeling of Electromagnetic Processes in a Nonlinear Circuit of an Electrolyzer for Pulse Deposition of Metal Coatings. Modern problems of metallurgy. Dnipro, 2025. No. 28. P. 329–347. DOI: 10.34185/1991-7848.2025.01.19.