背景與挑戰(zhàn)

新電池產品推向市場的過程是非常復雜和耗時的。研發(fā)過程漫長，包括使用第一性原理模擬來發(fā)現(xiàn)新的電化學設計的實驗設計（DoE），這些設計在實驗室中通過物理試錯的方式進行測試。電池制造過程中的許多步驟不僅會影響廢品率，還會影響電池的性能。因此亟需新的解決方案，實現(xiàn)以下的功能要求：

? 使研發(fā)部門能夠通過模擬新電池設計的電化學性能來減少昂貴的實驗室測試，加速先進電池技術的發(fā)現(xiàn)；

? 虛擬設計探索使人們更容易理解電池內部形態(tài)（如顆粒尺寸、形狀、表面積）的變化如何影響性能；

? 制造商可以使用數字孿生來減少昂貴的試錯成本，了解制造過程對電池質量和性能的影響。

解決方案

?？怂箍底罱瞥隽艘环N新的電池設計解決方案，該解決方案將弗勞恩霍夫應用研究院（Fraunhofer ITWM）的電化學模擬工具（BEST）求解器與?？怂箍档亩辔锢韴霾牧夏M和計量軟件Digimat相結合，能夠顯著加快新的電池研發(fā)計劃，實現(xiàn)了對電池設計的高效多物理場探索，同時考慮了制造過程的影響。上述虛擬實驗室方案具有顯著的成本和生產力優(yōu)勢。通過單一用戶界面，客戶可以從嵌入式電池材料庫中對完整組裝（包括電解質、隔膜、活性材料、粘合劑、集電器）的電池電極的微觀結構進行模擬，并探索材料性能和電池微觀結構的變化所產生的影響，包括：

? 通過選擇合適的材料和配置，包括顆粒尺寸分布和碳粘合劑分布，來提高電池的能效、壽命、最佳充電協(xié)議等性能結果；

? 研究制造工藝如何影響電池微觀結構，包括使用?？怂箍祻姶蟮腣GSTUDIO MAX 3D計量軟件從CT掃描結果中通過逆向工程得到電池內部結構的能力；

? 研究電池老化和電池設計的安全影響，為電池管理系統(tǒng)創(chuàng)建最佳充電協(xié)議提供信息。

工作流程

電池材料屬性可以由Digimat的通用材料屬性庫提供，也可以使用?？怂箍档牟牧蠑祿炱脚_MaterialCenter或材料數據管理軟件Materials Connect進行擴展。電池微觀結構可以使用VGSTUDIO MAX從CT掃描分析結果中導入，也可以直接在Digimat中創(chuàng)建。

圖1. 電池微觀結構：CT掃描建模（左圖）和Digimat建模（右圖）

在獲得電池微觀結構模型及性能后，電池設計團隊可以應用此模型來進一步研究電池結構的機械性能。宏觀尺度的材料行為可以使用代表性體積元素（RVE）進行評估，通過將簡化的Digimat材料模型嵌入相關的力學分析軟件中，擴展了模型對單元進行結構分析的能力。通過這種方式，機械工程師可以評估圓柱卷繞式封裝電池的機械性能，以基于準確的材料特性優(yōu)化電池的機械設計和安全性。

圖2.電池性能分析工作流程

總   結

由于材料與電化學設計、機械設計和制造工藝之間的復雜權衡關系，電池的設計和開發(fā)面臨著重大挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)研究方法只能依賴于嘗試不同的設計方案，需要花費大量的時間和實驗成本。?？怂箍德?lián)合弗勞恩霍夫應用研究院（Fraunhofer ITWM），構建電池結構仿真分析的新解決方案，能夠模擬常見鋰離子電池、鋅電池和鈉電池的組成微觀結構、電解質、隔膜、活性材料、粘合劑和集電器的電化學性能，幫助用戶在電池設計過程中更好的理解其中的多物理場相互作用，從而更快地推動新電池的創(chuàng)新。