設(shè)計仿真 | 基于Digimat的電化學(xué)模擬解決方案加速新電池設(shè)計
背景與挑戰(zhàn)
新電池產(chǎn)品推向市場的過程是非常復(fù)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(xué)設(shè)計的實驗設(shè)計(DoE),這些設(shè)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(shè)計的電化學(xué)性能來減少昂貴的實驗室測試,加速先進電池技術(shù)的發(fā)現(xiàn);
? 虛擬設(shè)計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成本,了解制造過程對電池質(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)求解器與海克斯康的多物理場材料模擬和計量軟件Digimat相結(jié)合,能夠顯著加快新的電池研發(fā)計劃,實現(xiàn)了對電池設(shè)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(chǎn)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(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??怂箍祻姶蟮腣GSTUDIO MAX 3D計量軟件從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?shù)據(jù)庫平臺MaterialCenter或材料數(shù)據(jù)管理軟件Materials Connect進行擴展。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)計團隊可以應(yīng)用此模型來進一步研究電池結(jié)構(gòu)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(guān)的力學(xué)分析軟件中,擴展了模型對單元進行結(jié)構(gòu)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(shè)計和安全性。
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、機械設(shè)計和制造工藝之間的復(fù)雜權(quán)衡關(guān)系,電池的設(shè)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(shè)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(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。
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