背景與挑戰(zhàn)

新電池產(chǎn)品推向市場(chǎng)的過程是非常復(fù)雜和耗時(shí)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(xué)設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)（DoE），這些設(shè)計(jì)在實(shí)驗(yàn)室中通過物理試錯(cuò)的方式進(jìn)行測(cè)試。電池制造過程中的許多步驟不僅會(huì)影響廢品率，還會(huì)影響電池的性能。因此亟需新的解決方案，實(shí)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(shè)計(jì)的電化學(xué)性能來減少昂貴的實(shí)驗(yàn)室測(cè)試，加速先進(jìn)電池技術(shù)的發(fā)現(xiàn)；

? 虛擬設(shè)計(jì)探索使人們更容易理解電池內(nèi)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(shù)字孿生來減少昂貴的試錯(cuò)成本，了解制造過程對(duì)電池質(zhì)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(shè)計(jì)解決方案，該解決方案將弗勞恩霍夫應(yīng)用研究院（Fraunhofer ITWM）的電化學(xué)模擬工具（BEST）求解器與?？怂箍档亩辔锢韴?chǎng)材料模擬和計(jì)量軟件Digimat相結(jié)合，能夠顯著加快新的電池研發(fā)計(jì)劃，實(shí)現(xiàn)了對(duì)電池設(shè)計(jì)的高效多物理場(chǎng)探索，同時(shí)考慮了制造過程的影響。上述虛擬實(shí)驗(yàn)室方案具有顯著的成本和生產(chǎn)力優(yōu)勢(shì)。通過單一用戶界面，客戶可以從嵌入式電池材料庫中對(duì)完整組裝（包括電解質(zhì)、隔膜、活性材料、粘合劑、集電器）的電池電極的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬，并探索材料性能和電池微觀結(jié)構(gòu)的變化所產(chǎn)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(jié)果；

? 研究制造工藝如何影響電池微觀結(jié)構(gòu)，包括使用?？怂箍祻?qiáng)大的VGSTUDIO MAX 3D計(jì)量軟件從CT掃描結(jié)果中通過逆向工程得到電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)的能力；

? 研究電池老化和電池設(shè)計(jì)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，也可以使用海克斯康的材料數(shù)據(jù)庫平臺(tái)MaterialCenter或材料數(shù)據(jù)管理軟件Materials Connect進(jìn)行擴(kuò)展。電池微觀結(jié)構(gòu)可以使用VGSTUDIO MAX從CT掃描分析結(jié)果中導(dǎo)入，也可以直接在Digimat中創(chuàng)建。

圖1. 電池微觀結(jié)構(gòu)：CT掃描建模（左圖）和Digimat建模（右圖）

在獲得電池微觀結(jié)構(gòu)模型及性能后，電池設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)可以應(yīng)用此模型來進(jìn)一步研究電池結(jié)構(gòu)的機(jī)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(jìn)行評(píng)估，通過將簡(jiǎn)化的Digimat材料模型嵌入相關(guān)的力學(xué)分析軟件中，擴(kuò)展了模型對(duì)單元進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析的能力。通過這種方式，機(jī)械工程師可以評(píng)估圓柱卷繞式封裝電池的機(jī)械性能，以基于準(zhǔn)確的材料特性優(yōu)化電池的機(jī)械設(shè)計(jì)和安全性。

圖2.電池性能分析工作流程

總   結(jié)

由于材料與電化學(xué)設(shè)計(jì)、機(jī)械設(shè)計(jì)和制造工藝之間的復(fù)雜權(quán)衡關(guān)系，電池的設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)方案，需要花費(fèi)大量的時(shí)間和實(shí)驗(yàn)成本。?？怂箍德?lián)合弗勞恩霍夫應(yīng)用研究院（Fraunhofer ITWM），構(gòu)建電池結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)、電解質(zhì)、隔膜、活性材料、粘合劑和集電器的電化學(xué)性能，幫助用戶在電池設(shè)計(jì)過程中更好的理解其中的多物理場(chǎng)相互作用，從而更快地推動(dòng)新電池的創(chuàng)新。