如何設(shè)計開發(fā)下一代電池？

在我們的身邊，大大小小的電池隨處可見，從智能手機、筆記本電腦和電動牙刷中的小型電池，到為最新的電動汽車（EV）提供動力的大容量電池，以及用于儲存可再生能源和電網(wǎng)能源的大型電池。如果沒有電池，我們就無法體驗到這樣便捷的數(shù)智生活。

常見的電池多數(shù)都由鋰制成，也稱為鋰離子電池。自1985年問世以來，鋰離子電池確實在數(shù)十年間推動實現(xiàn)了諸多進步，但為了滿足不斷發(fā)展的可持續(xù)性和性能標(biāo)準(zhǔn)，采用新的材料和電池設(shè)計也勢在必行。

電池材料建模正好能夠在這方面發(fā)揮作用。通過協(xié)同設(shè)計新電池的結(jié)構(gòu)和化學(xué)成分，電池材料建?？梢詭椭姵亻_發(fā)者探索新材料并優(yōu)化性能，從而最終縮短開發(fā)時間并降低成本。本文將介紹電池技術(shù)在當(dāng)今綠色科技革命中有何發(fā)展，電池建模有哪些優(yōu)勢，以及新思科技如何利用自身的建模軟件Simpleware和QuantumATK解決方案幫助客戶為新的電池類型進行建模。

電池的發(fā)展歷程????????

電池最初非常簡單，主要依靠化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生電能?？晒┻x用的材料種類相當(dāng)有限，只需要陽極、陰極和一些液體。事實上，第一枚簡易電池是Alessandro Volta發(fā)明的，他將幾組銅片和鋅片堆疊起來，在銅片與鋅片之間夾上浸有鹽水的布片制成了電池。

從第一枚簡易電池問世以來，電池已經(jīng)走過了漫長的發(fā)展歷程。如今，鋰離子電池由于可充電且成本低廉，適合用于各種消費電子產(chǎn)品，因此占據(jù)了電池市場絕大部分的份額。這些電池有的在人們隨身攜帶的電子設(shè)備中為高性能CPU供電，并不會產(chǎn)生太多熱量；有的則在為汽車提供動力，又不至于引發(fā)火災(zāi)。然而，無論何時，當(dāng)一個小小的器件中裝有如此多的電力時，總會有燃燒的可能，造成安全隱患。

不過，鋰離子電池最大的問題是，盡管它們在為電動汽車等其他可持續(xù)解決方案提供電力，但它們本身并不環(huán)保。有時候，鋰離子電池離不開稀土金屬，而稀土金屬不僅開采成本高，且往往只分布在部分國家?，F(xiàn)在我們要做的是通過整個元素周期表尋找新的電池技術(shù)和材料，確保既能做到可持續(xù)、更安全且具有成本效益，以及最優(yōu)的性能。

十年前，人們關(guān)注的都是哪種金屬能夠為電動汽車提供最大的動力，如今，我們更多的是在尋找可擴展的電池技術(shù)。電池開發(fā)者現(xiàn)已在利用建模軟件尋求創(chuàng)新的方法來開發(fā)下一代電池。

電池建模的眾多優(yōu)勢

在早期的幾代化學(xué)電池中，可以探索的材料組合只有幾種。如今，電池材料的市場規(guī)模要大得多，也更復(fù)雜。例如，固態(tài)電池可以使用幾乎無限種材料組合，有望取代鋰離子電池。固態(tài)電池之所以擁有如此大的發(fā)展前景，是因為它們不易燃又具有更高的能量密度，充電速度更快，需要的原材料更少，并且在性能開始退化之前的充電循環(huán)次數(shù)更多。盡管如此，開發(fā)者仍需要應(yīng)對一些挑戰(zhàn)，比如抑制可能導(dǎo)致安全隱患的枝晶問題、充放電循環(huán)過程中較差的機械穩(wěn)定性以及電阻問題。

使用電池設(shè)計軟件進行建模，有助于從無數(shù)種可能的組合中選出最有前景的固態(tài)電池材料，幫助解決以上各種挑戰(zhàn)。

軟件建模讓開發(fā)者可以從無數(shù)種可能的材料組合中篩選出理論上可行的組合，幫助節(jié)省數(shù)百萬美元的實驗費用。此外，無論電池設(shè)計背后的理論多么出眾，有時它的實際效果并不像開發(fā)者期待的那樣完美。電池設(shè)計中涉及到大量的物理學(xué)知識，仿真可以幫助電池開發(fā)者排除故障。例如，改變一種電池材料可能會導(dǎo)致設(shè)備過熱和發(fā)生爆炸。仿真讓開發(fā)者能夠以較低的成本輕松地測試一個方案，并在必要時做出調(diào)整。

對企業(yè)來說，仿真變得越來越重要。因為企業(yè)不能再僅依靠大學(xué)的研究來尋找新的電池解決方案。建模軟件可以幫助電池開發(fā)者專注于市場的重要標(biāo)準(zhǔn)，并使用虛擬環(huán)境來加速完成實驗，從而使開發(fā)過程更具成本和時間效益。

新思科技電池建模解決方案

新思科技是領(lǐng)先的電池建模軟件提供商之一，也是僅有幾家產(chǎn)品組合中包含基礎(chǔ)物理學(xué)仿真工具的公司之一。相比之下，其他公司通常依靠來自現(xiàn)實世界實驗的校準(zhǔn)，但無法幫助客戶探索那些現(xiàn)實實驗無法映射到的領(lǐng)域。

新思科技的其中一款主要建模軟件產(chǎn)品是Simpleware平臺，在該平臺上，用戶可以從3D圖像數(shù)據(jù)快速生成模型，從而評估不同種類的能源材料。這款軟件簡單易用，包含多種圖像處理和測量工具，并且允許用戶導(dǎo)出嚴(yán)密的幾何網(wǎng)格用于3D打印和FE/CFD仿真。最重要的是，Simpleware軟件可用于對能源材料的形態(tài)和功能特征分析，讓開發(fā)者能夠更快、更準(zhǔn)確地開發(fā)電池。

在基于圖像的建模中，開發(fā)者遇到的主要瓶頸就是分割。開發(fā)者需要手動標(biāo)記圖像數(shù)據(jù)中的體素（3D像素），并將其歸類為不同的材料。試想一下，一個人需要逐片給不同的部分上色是多么繁瑣的工作。Simpleware現(xiàn)在可以利用人工智能技術(shù)，使分割過程完全實現(xiàn)自動化，并推出優(yōu)化的解決方案，讓開發(fā)者能夠?qū)⒒趫D像的工作流程擴展到生產(chǎn)上。

英國帝國理工學(xué)院和倫敦大學(xué)學(xué)院都在使用Simpleware軟件來改善固體氧化物燃料電池的壽命和老化問題。研究人員從納米和微觀的層面上研究了電池與溫度、電化學(xué)和應(yīng)力因素之間的關(guān)系，并使用新思科技的軟件來處理圖像數(shù)據(jù)，導(dǎo)出網(wǎng)格進行仿真。這使得研究人員能夠?qū)θ剂想姵氐膲勖屠匣瘑栴}進行不同尺度的研究，從而對各個相位和接口上的主應(yīng)力特征進行分析。

新思科技另一款實用的建模軟件是QuantumATK原子仿真軟件，可以幫助開發(fā)者設(shè)計新的電池陰極和陽極材料、液體和固體電解質(zhì)、添加劑以及固體電解質(zhì)界面相（SEI）材料，從而為汽車行業(yè)以及其他工業(yè)應(yīng)用打造密度和安全性更高的電池。借助QuantumATK軟件，開發(fā)者可以尋找用于固態(tài)電池、固體/聚合物電解質(zhì)、鋰離子替代物（鈉、鎂等）、鋰硫電池、鋰金屬電池和鋰空氣電池等替代電池技術(shù)中的下一代材料。

電池設(shè)計的未來趨勢

雖然鋰電池技術(shù)為當(dāng)前的技術(shù)革命提供了動力，但研究人員目前正在搜索整個元素周期表，希望找到更安全、可再生、更強大且更具成本效益的不同電池材料組合。

潛在的材料組合數(shù)以萬億計，研究人員目前只深入探索了當(dāng)前信息技術(shù)革命中使用的約10種材料組合。要想從這數(shù)萬億種材料中找出更佳的組合，仿真技術(shù)不可或缺，并推動未來電池技術(shù)的發(fā)展和飛躍。