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【MS应用实例】参与设计、优化和创新电池
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【MS应用实例】参与设计、优化和创新电池

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过去几十年的技术进步大多是由锂离子电池(lib)驱动的。虽然lib开始于手机等个人电子产品,但近年来,市场已渗透到电动汽车、混合动力和电动飞机、医疗设备(包括手术电动工具、可穿戴设备、心脏起搏器、重症监护设备等)等多个细分领域。越来越多的用例,因此,产生了对改进性能的需求:lib必须持续更长的时间,减小尺寸和重量,具有更大的容量,变得更廉价,并且在变得更安全、更持久的同时更可持续。这将现有的产品推向其极限,许多组织正在寻求改善材料,寻找大的相空间的材料,涂层,工艺条件等,以取代现有的组件和工艺,以应对这些挑战,提高产能。然而,这说起来容易做起来难,因为锂离子电池组被激活和使用,它们通过一系列化学和电化学反应降解,这些反应主要由材料的固有特性(如电子特征、原子结构、分子间相互作用、纳米和微孔隙度、机械和热稳定性等)驱动。

 

深入了解激活、充放电使用周期和细胞降解的机制是获得竞争优势的关键。电池制造商、小众电池设计师和材料公司都在激烈的竞争中争夺这个根本原因,并获得关键的见解。所有公司都想利用虚拟孪生技术的方法来加速实现他们的目标,这样他们就可以在一个竞争非常激烈的领域,在非常积极的时间范围内实现并保持领导地位,增加市场份额。

 

达索系统公司凭借其基于多学科、多范式和多尺度结果的合作研究,参与模型方面的研究,在实现这一变革方面处于独特的地位。下一代电池,无论是锂金属或硅基阳极,固体电解质与陶瓷,聚合物,或混合,先进的锂离子设计,Li- S,钠离子,氧化还原流电池,铝-空气,钠-空气,锌-空气,无钴阴极,以及大量其他化学和过程可以深入研究的帮助达索Systèmes合作研究电池解决方案。这使得该行业朝着其目标加速30%或更多。

 

CONTRACT RESEARCH–A STRATEGIC COLLABORATION TO BRIDGE THE GAP

合同研究公司达索Systèmes提供了一种合作方式,在严格保密的情况下,我们成为客户电池研究、开发和创新实验室的延伸部门。专注于我们客户的目标,我们汇集了正确的多学科专业知识和最合适的软件工具集,以解决我们客户的关键科学和工程挑战。我们与客户的合作研究是以行动为重点的研究,其结果可以推动实时决策和加快创新。我们的计算专家和客户的专家(包括实验实验室团队和工程建模团队)之间的密切合作促成了一个非常成功的结果。合作研究电池领域专家开发了基于BIOVIA软件的先进技术能力(ATC)(包括建模&仿真工具和机器学习工具),涵盖电池专用验证模型,以及软件工具中已有的科学算法,领域专用内容(数据)和验证工作流。在我们的领域专家手中,这套全面的atc套件使他们能够有效地解决我们工业客户的具有挑战性和业务关键的科学问题。这些合作的结果包括加速设计和预测建模、专注于成功的实验、故障模式的根本原因分析和潜在的补救措施、虚拟实验设计、提供原因的关键见解,以及与宏观细胞工程模型的联系。图1显示了Contract Research是如何弥合软件工具和行业最终目标之间的差距的,下一代电池更耐用,更大的容量,同时可持续发展和更安全。

 

TIE MATERIALS CHEMISTRY TO BATTERY CELL BEHAVIOR

BIOVIA提供量子力学、混合量子力学、分子动力学、COSMO-RS、中尺度动力学、动力学蒙特卡洛、相场和速率方程等领域的分子建模和模拟工具。这些工具和BIOVIA材料工作室套件中的其他表征工具的组合提供了基础。在此基础上,使用atc创建电池子组件的虚拟孪生技术,并模拟过程。Contract Research公司在材料化学与电池寿命、安全性、性能和寿命结束方面的联系上架起了桥梁,现在可以深入研究电池在循环过程中的激活、化学、电化学和热过程、外部条件的影响、基于使用的影响以及老化过程等课题。

 

(1) Anode

锂电池面临的一个关键挑战是,如何满足更小、更轻、仍能提供高容量的可充电电池日益增长的需求。金属锂具有较低的密度和较高的理论比容量。如果能以一种经济有效的方式解决某些失效模式,这将使锂金属电池(lbs)成为下一代产品的理想选择。合作研究可以帮助电池开发人员从模型第一的方法设计,优化和创新性能更好的阳极。通过实验分析测量和实验室测试的每个阶段的验证,我们加快了最成功的实验的努力。

 

1.通过预测充放电循环过程中阳极内部的锂化和损耗;

 

2.优化阳极性能设计阳极涂层以更快和提高固体电解质界面(SEI)的耐久性;

 

3.通过根本原因分析方法抑制枝晶的形成和膨胀;

 

(2) Cathode

目前正在进行的阴极活性材料的研究和开发主要集中在识别和优化成本相对较低,更容易获得的材料,同时提高能量密度和循环稳定性。合作研究使电池制造商在许多方面,其中一些列在这里。

 

1.虚拟实验设计(DoE)来调整混合、干燥和压载过程;

 

2.通过计算Open Cell Voltage (OCV)来确定各种材料的充放电活动;

 

3.评估循环过程中阴极结构的变化,以确定对整体阴极容量的影响;

 

4.探索和优化阴极表面和各种涂层之间的相互作用,以提高耐久性;

 

(3) Electrolyte

电池安全仍然是锂电池生产商关注的核心问题。为此,业界正将重点转向固态电解质(SSE)。工业界已经转向达索系统合作研究公司来解决这些挑战。

 

1.电解质中锂离子电导率、迁移数和扩散的先验计算;

 

2. 验证SEI形成和生长的模型基于电解液完全使用原则;

 

3. 实际上是筛选大量的电解质,添加剂和配方,以选择最有希望的候选人和配方,并在实验室进行测试;

 

Machine Learning & AI Applied to Predict Performance of Battery Cell

对于机器学习和数据科学,BIOVIA提供了非常通用的工具Pipeline Pilot。在此基础上,合作研究公司创建了先进技术内容并验证了模型。通过使用客户专有的数据,这些模型可以进一步针对客户特定的系统进行调优。此外,我们还应用这一专业知识,根据前几个周期的实验测量数据来预测电池寿命和性能。

 

FROM ELECTRONS TO ELECTRIFICATION

达索Systèmes的广泛投资组合允许多尺度、多学科和基于多种范式的虚拟孪生在电池亚电池材料和组件、电池设计、封装和模块设计和制造的模型优先方法的设计、优化和创新。合作研究公司提供专业知识,将我们的技术应用于客户面临的关键挑战。

 

CONTRACT RESEARCH ENABLES LIGHTER,FASTER,BETTER,CHEAPER, SAFER BATTERIES TO REACH SUSTAINABILITY GOALS

电子产品日益占主导地位,正在改变人们的日常生活方式,而lib正在推动这种变化。随着行业对电动汽车、eVTOL、电力存储、个人电子设备、医疗设备等电池的改进和创新,他们已经意识到端到端的虚孪生的力量,以减少浪费,减少实验,并专注于最成功的路径,加快下一代产品的上市时间,并获得竞争优势。合作研究公司是达索系统公司的关键团队,为采矿、能源和材料、运输和移动、高科技和医疗设备等行业提供服务。通过在合作研究中建立强有力的伙伴关系,最好的团队由专家组成。合作研究公司的严格保密和互利的知识产权条款,以及及时交付以目标为重点的里程碑,是成功合作创造更轻、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。

 

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

北京泰科博思科技有限公司是BIOVIA Pipeline PilotMaterials Studio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BIOVIA Pipeline Pilot和Materials Studio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!

 

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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