从智能手机、笔记本电脑和电动牙刷中的紧凑型电池到为最新电动汽车提供动力的大容量电池，以及用于可再生能源和电网能源的大型电池，大大小小的电池无处不在。简单地说，如果没有电池，我们就无法过上如今方便快捷的生活。大众所熟悉的电池大多由锂组成（即锂离子电池）。虽然自 1985 年发明锂电池以来，在过去几十年中取得了许多进展，但仍需要有新的材料和电池设计来满足不断发展的可持续性和性能需求。
因此，电池材料建模的作用就是通过协同设计新材料的结构和化学，探索新材料并优化性能，最终缩短开发时间和节约成本。本文将带您了解在当今绿色技术革命中进步电池的技术进步和电池建模和模拟的优势，以及如何利用 Simpleware 和 QuantumATK 软件的解决方案构建新的电池类型。
电池的进化
自第一块初级电池问世以来，已经走过了漫长的道路。锂离子电池因可充电性和整体便宜的成本使其能够用于日常的消费品，从而在当前的电池市场中占据着主导地位。这些电池可以为高性能 CPU 供电，放在各地消费者口袋里的时候也不会产生太多热量，用于汽车而不引发火灾。但无论如何，将如此多的能量储存在小小的设备中总是会有引燃的顾虑，安全性始终是令人关注的问题。
锂离子电池最大的问题是它们本身并不是最环保的（尽管它们正在为电动汽车等可持续解决方案提供动力）。在某些情况下，它们依赖于昂贵的稀土金属。在元素周期表中寻找可持续、更安全、经济、提供性能优化的新电池技术和材料的潜能。
十年前，关注的都是什么金属能够为电动汽车提供最大的动力，当今的探索更多的是关于可扩展的电池技术。电池设计人员正在寻求非常规的方法，利用建模软件开发下一代电池。
电池建模的优势
在化学电池的早期迭代中，可以探索的材料组合只有这么多。如今，电池材料的竞争环境更大，也要复杂得多。例如，固态电池可以使用的材料组合几乎是无限的。固态电池不易燃，具有较高的能量密度从而充电更快，所需的原材料也较少。并且可以使用更多的充电周期才会发生明显损耗降级，因此具有广阔的应用前景。然而，设计人员仍然需要考虑一些挑战，包括抑制可能会导致安全问题的枝晶、循环过程中较低的力学稳定性和电阻。
使用电池设计软件建模有助于从数百万种可用的组合中选择最有前途的固态电池材料，应对上述挑战。
设计人员使用软件建模可以从理论角度分析无数潜在材料组合的可行性，有助于在实验中节省数百万美元。另外，无论电池背后的理论有多好，有时在现实世界中它表现地并不如设计的预期。电池内部存在着大量的物理过程，仿真可以帮助电池设计排除故障。例如，更换电池中的一种材料可能会导致单元产生过多的热量成为爆炸物。模拟可以使设计人员能够轻松且花费较少成本地进行测试，并进行必要的调整。建模软件能够帮助电池设计人员专注于市场的重要标准，采用加速的虚拟实验使过程更具成本和时间效益。
基于 Simpleware 和 QuantumATK 电池建模解决方案
Simpleware 软件平台能够快速由三维图像数据生成模型，评估不同种类的能源材料。软件简单易用，包含图像处理和测量工具，支持导出用于 3D 打印和 FE / CFD 模拟的严密网格。利用 Simpleware 软件可以对能源材料的形态和功能进行表征，使燃料电池和电池的开发更加精准，耗时更少。
在基于图像的建模中，用户遇到的主要瓶颈是图像分割。需要手动通过灰度值将图像数据中的体素（3D 像素）分类为不同的材质，并应用于所有的切片。Simpleware 软件现在可以利用人工智能技术实现分割过程的完全自动化，并部署优化的解决方案，帮助客户将基于图像的工作流程扩展到生产级别。
帝国理工学院和伦敦大学学院已经使用 Simpleware 软件提高了固体氧化物燃料电池的寿命和降解性。研究人员在纳米和微观尺度水平研究电池与热、电化学和应力因素的关系，在 Simpleware 软件中进行图像处理并导出适用于模拟的高质量网格模型。促使科研人员能够在不同尺度研究燃料电池的寿命和退化，表征跨相和界面的主应力。
另一个非常有用的建模软件是 QuantumATK 原子模拟软件，可用于设计正极和负极新电池材料、液体和固体电解质、添加剂和固体电解质界面相（SEI），为汽车和其他工业应用提供更致密和更安全的电池。利用 QuantumATK 软件可以找到将用于新替代电池技术中的下一代材料，包括固态电池、固态/聚合物电解质、锂离子（Na、Mg等）的替代品、Li – S电池、Li -金属电池和 Li -空气电池。
电池设计的未来
虽然锂推动了当前的技术革命，但研究人员正在整个元素周期表中搜寻更安全、可再生、潜能更大、更经济的不同组合。潜在的组合数量在万亿级，但研究者仅对当前 IT 革命中正在使用的 10 种左右组合进行了深入的研究。模拟是探索这些数万亿种组合，推动未来技术进步的唯一途径。
参考
- 更多信息请参考英文原文：https://blogs.synopsys.com/from-silicon-to-software/2023/03/15/battery-design-modeling-101/
- 基于3D图像和仿真应对电池设计挑战
- 基于图像的锂离子电池电极建模
- QuantumATK在电池材料模拟与设计中的应用