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基于多尺度模拟,研发性能更好、更安全的锂离子电池
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基于多尺度模拟,研发性能更好、更安全的锂离子电池

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方案详情
行业
新能源,航空航天
材料
橡胶

电动汽车(EV)对于降低现代城市的排放至关重要。基于锂离子电池的零排放电动汽车的性能目标包括:提高容量,更快的充电和更多的刷新周期,以及与现有车队类似或(或更好)降低的成本。此外,电动汽车的总运营成本,范围和安全性也是关键考虑因素。

 

 

汽车或公共汽车的袋式电池模块

业界认识到,当前一代的锂离子(Li-ion)电池退化得太快,导致电动汽车随着时间的流逝而出现明显的续航里程损失,并增加了电池发生灾难性故障的风险。当前的电动汽车电池是将燃料和氧化剂存储在同一位置的少数系统之一,就像火箭和炸药一样。对于电动汽车制造商和电池开发商而言,设计不会爆炸的材料始终是他们的头等大事。为了应对这些挑战,制造商利用各种规模的建模和仿真来了解电池固有的设计权衡,尤其是电极表面的化学性质,电解质界面层的稳定性以及这些特性与电池性能之间的关系。不幸的是,研究与开发组织中的不同部门通常不会互相交谈,尤其是在解决同一问题的不同规模方面。他们并没有真正的协作,而是陷入了可能破坏研发成功的组织孤岛中。

DassaultSystèmes通过开发集成的多尺度建模方法来推动电池电解质化学空间的计算探索,从而带头促进了更协作的工作环境。

 

扩大电解质的化学空间2019年11月发表在《电化学学会杂志》(Journal of The Electrochemical Society)上的题为“Multi-scale Electrolyte Transport Simulations for Lithium Ion Batteries”的开放获取科学论文迈出了第一步,借助不需要耗时的模拟方法来应对这些挑战以及昂贵的材料重新设计。本文着眼于锂离子电解质,它是电池中最易燃的部分,通常在其他主要电池设计决定已经确定之后,才在工程过程的后期进行优化。由于这个原因,可以在工程时间尺度上实施电解质配方的改变,这比新材料开发所需的交货时间要短得多。本文描述了一种针对给定电解液成分、盐浓度和温度的全自动工作流程,这种工作流程在多尺度、原子模拟和电池性能之间建立了联系。在这种跨尺度方法中,使用BIOVIA Materials Studio软件中的Amorphous Cell模块,将每种盐浓度的大约200个溶剂分子和适当数量的离子随机填充到模拟盒子中。然后使用分子动力学模拟获得电解质结构和离子的动力学。该工作流程允许科学家对流过电解质的离子流进行建模,从而通过在整个模拟过程中跟踪离子的运动来表征其电荷传输特性。这提供了机会来计算地探索影响电解质性能的物理化学因素,例如,确定单个添加剂对宏观电池性能的影响。作者描述了充分预测模型可以在不同目的下优化任何组分的溶剂,盐和添加剂,并且可以直接计算配方的最终电池性能。

 

 

多尺度模拟工作流程策略:分子动力学模拟用于计算不同配方和离子浓度的电解质的离子电导率。将结果导入整个电池单元的系统级仿真中,从而对电池性能进行定量预测。

 

工业界与学术界之间的宝贵合作BIOVIA达索系统在这项重要的科学论文中发挥了重要作用。主要作者Felix Hanke博士是BIOVIA科学理事会的会员,该理事会负责推动BIOVIA服务的行业中的科学研究和创新。Hanke博士强调了在电解质化学和电池性能之间建立这种直接计算联系需要宝贵的社会协作努力。“这是真正的多尺度模型,”汉克说。“要构建它,我们需要将BIOVIA的原子模拟与DassaultSystèmes的另一个品牌CATIA的连续体建模进行集成。这种结合使我们能够将电解质的分子组成与电池的最终性能联系起来。该项目还涉及与英国领先的电池研究中心Faraday Institution合作。Faraday的数学家协助进行了模型验证。最后,我们还与UK’s Centre for Doctoral Training (CDT) in Computational Methods for Materials Science合作。DassaultSystèmes是与该组织是工业合作伙伴,BIOVIA为其提供用于教学和研究的Materials Studio软件。每年,BIOVIA都会接待一群CDT学生来研究所选择的项目,为期一周,而本文的想法是在其中一次访问中开始的。该论文的作者包括来自剑桥大学的三名学生,两名来自化学系,一名来自工程系。”这份论文(由DassaultSystèmes,工业界和学术界共同合作做出的贡献)在液体电解质的分子组成与其电化学性能之间建立了无缝,多尺度的联系。在电解液配方中完全采用计算机模拟计算是一种成功的策略,可以有效且经济地确定未来合适的添加剂电池组件。

 

·原文由Harold Bradley 于2020年4月22日发表于 BIOVIA Blog

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