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通过合作研究实现电池单体的设计和优化—MS,COSMOtherm和机器学习PP

通过合作研究实现电池单体的设计和优化—MS,COSMOtherm和机器学习PP

作者:
北京泰科
2022/07/19
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【摘要】:
合作研究公司的多学科领域专家使用基于3D化学的软件工具(主要是Materials Studio, COSMOtherm和PipelinePilot)开发了先进技术能力(ATC)。

我们的目标是到2050年降低二氧化碳水平,实现净零碳排放,电池占据了中心舞台。电池制造商、小众电池设计师、汽车原始设备制造商、eVTOL飞机制造商和材料公司都在投资于电池技术的突破性创新。电池是复杂的材料系统,其开发需要熟练的专业知识和先进的数字解决方案。

 

达索Dassault Systèmes合作研究团队已经在多个研发领域支持了超过25年的行业,如汽车、航空航天、高科技、采矿、能源、先进材料、消费包装商品、工业设备、医疗保健和医疗设备。合作研究公司的多学科领域专家使用基于3D化学的软件工具(主要是Materials Studio, COSMOthermPipelinePilot)开发了先进技术能力(ATC)。专有的atc包括经过验证的算法、内容、模型、方法和工作流。

 

合作研究公司为电池单元设计、子单元组件优化、制造过程改进以及AI/机器学习驱动的电池性能预测提供灵活和协作的合作。与工业客户密切合作,团队为工艺、性能和产品提供了重要的新见解。合作研究团队帮助客户提高他们的研发效率,加速他们的创新,实现主动的故障补救,增强他们的知情决策能力,并快速跟踪他们的创新产品进入市场。合作研究公司(Contract Research)的严格保密和互利的知识产权条款,以及及时交付目标明确的里程碑,是双方成功合作创造更轻、更快、更好、更便宜、更安全、更容易回收的下一代电池的完美配方。

 

合作研究团队帮助为不同行业提供电池解决方案。由于审计业务的性质,案例研究中只共享高级信息。

 

案例研究 1:面向成功客户的集中实验:一家全球汽车制造商

 

“Modeling & Simulation results provided by CONTRACT RESEARCH experts enabled us to define and focus our experiments towards the most productive path cutting our time down by 30%”

Director R&D, Automotive Manufacturer

 

挑战:

为了寻找下一代电池可能的电解液替代品,实验时间太长,成本太高。

 

解决方案:

合作研究团队运用他们的专业知识建立了不同电解质的验证模型。模拟使用了专有的工作流程。随后,该团队进行了生产作业,并分析了运输、热和电化学行为。模拟的性质被用来快速筛选不同的化学体系使用模型第一的方法。此外,验证过的工作流被交付给客户以供进一步使用。

 

结果:

(1)基于3D化学的模型验证了可用的实验数据

(2)电解质多种可能性的虚拟孪生模型

(3)使用第一性原理三维化学方法模拟关键性质

(4)通过热物性的虚拟筛选,考虑了安全性

(5)确定替代电解质候选者在实验室测试

 

案例研究 2:以工作流程加速创新客户:汽车制造商

 

“Strong partnership through CONTRACT RESEARCH makes all the difference. Our engineers now use workflows created by validated first-principles 3D Chemistry based modeling & simulations to innovate 40% faster.”

Manager, Cell Design Lab, Automotive Manufacturer 

 

挑战:

工程模型需要实验数据,这些数据有时需要花费时间来获取或难以测量。关于局部现象如溶胀、枝晶生长、降解和老化的实验数据通常是不可能获得的。

 

解决方案:

合作研究团队应用第一性原理三维化学建模和仿真,在缺乏实验数据的情况下获得关键特性。微尺度模拟的输出作为工程尺度模拟的输入。所得到的电池性能模型与测量数据进行了比较,结果显示性能良好。Contract Research交付了经过验证的模型和工作流程,供单元设计工程师使用。

 

结果:

(1)开发预测性能的工作流程;与实测实验数据进行验证

(2)验证传输属性的工作流

(3)验证了电化学性能的工作流程

(4)验证局部结构和机械性能的工作流程

(5)验证热性能的工作流程

 

案例研究 3:通过虚拟实验主动降低风险客户:航空航天承包商

 

“The Battery Technology Center used battery materials modeling and simulations expertise of CONTRACT RESEARCH scientific team to save our company both time and money”

Battery Risk Manager, Aerospace Contractor

 

挑战:

由特定供应商提供的电池材料批次间的变化会导致电池性能的巨大变化。

 

解决方案:

合作研究团队对材料微观结构进行了建模,并模拟了关键的电化学过程。电极前体的虚拟双胞胎揭示了结构和形态不均匀的来源,导致细胞性能的变化。进行了一系列的what/if虚拟实验来模拟批处理变化,并使用基于三维化学的第一性原理模拟来测试它们。从这个练习,团队能够规定一个积极的实验室测试材料之前,建立细胞。供应商被告知对每批进行测试。

 

结果:

(1)3D化学基于验证模型

(2)3D化学虚拟孪生的深入见解

(3)模拟变化的一系列what/ if虚拟实验的输出

(4)确认由供应商提供的电极前驱体变化引起的故障根源

(5)规定供应商采取补救措施,以避免日后出现违规行为

 

案例研究 4:故障修复由虚拟双胞胎启用客户:个人设备制造商

 

“Our company has manufacturing process ‘know-how’ for decades. CONTRACT RESEARCH team delivered critical process ‘know-why’ and enabled us to decrease failure rate from 9% to 1%.”

VP R&D, Device Manufacturer

 

挑战:

某一特定设备的制造过程导致了很高的故障率,尽管对不同的工艺旋钮进行了调整和调整,但故障仍然存在。

 

解决方案:

合作研究团队利用他们在材料和工艺化学方面的专业知识,对可能的失败原因提出了三个假设。使用先进技术能力(ATC)建模资产,每个假设都进行了虚拟测试。建立了原子模型和中尺度模型,模拟了制造过程的适当步骤。虚拟测试的结果与观察到的行为进行了比较,揭示了持久失败的原因。一旦确定了原因,就会使用适当的atc来制定解决问题的方案。

 

结果:

(1)基于3D化学的三个假设模型

(2)化学虚拟孪生揭示了失败的原因从一个意想不到的来源

(3)对生产工艺进行适当的改变以补救失败

 

案例研究 5:使用机器学习的周期寿命预测客户设备制造商

 

“The CONTRACT RESEARCH team used their battery cell domain expertise combined with machine learning expertise to deliver predictive models for battery life”

Manager, R&D, Device Manufacturer

 

挑战:

质保要求,以满足消费者的满意需求,更好和更准确的预测日历寿命,周期寿命,和操作温度范围,这是极其昂贵和耗时的获得。

 

解决方案:

客户为严格遵守保密协议的合作研究提供了有关其电池的相关数据。合作研究团队的专家使用了提供的数据,并生成了客户专有的机器学习模型,使用Pipeline Pilot作为主要工具,其他技术只有通过合作研究参与才能获得。由团队开发的生成预测模型被交付给了我们的客户。

 

结果:

(1)机器学习模型,从最初的几个数据周期预测周期寿命模型,旨在纳入未来可获得的新数据

(2)替代长期实验的成本和时间高效的方法

(3)供非专家使用的决策工具

 

北京泰科博思科技有限公司是Materials StudioCOSMOlogicPipeline Pilot官方指定代理商,有关软件详情或者技术支持请咨询北京泰科。

 

电话:010-64951848

邮箱:sales@tech-box.com.cn

 

北京泰科为广大学习分子模拟科研人员提供了交流讨论平台,泰科建立了MS、COSMO、PP交流群,群里有专业老师解答问题,如有兴趣一起交流,欢迎来电/邮申请入群,作者期待您的参与!

 

本文翻译自Dassault Systèmes , 点击“阅读原文” ,访问原文英文链接。

 

公司简介:

北京泰科博思科技有限公司(Beijing Tech-Box S&T Co. Ltd.)成立于2007年,是国内领先的分子模拟及虚拟仿真综合解决方案提供商。

 

北京泰科博思科技有限公司与国际领先的模拟软件厂商、开发团队深入合作,为高校、科研院所和企业在材料、化工、药物、生命科学、环境、人工智能及数据挖掘、虚拟仿真教学等领域提供专业的整体解决方案。用户根据需要在我们的平台上高效的进行各种模拟实验,指导实际的生产设计。

 

北京泰科博思科技有限公司拥有一支一流的技术服务团队和资深的专家咨询团队,以客户真正需求出发,服务客户,为客户创造价值。我们秉承“职业、敬业、担当、拼搏、合作”的企业精神,致力于用国际领先的软件产品和专业全面的技术支持服务,成为客户可信赖的合作伙伴。 

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