如何设计开发下一代电池？

在我们的身边，大大小小的电池随处可见，从智能手机、笔记本电脑和电动牙刷中的小型电池，到为最新的电动汽车（EV）提供动力的大容量电池，以及用于储存可再生能源和电网能源的大型电池。如果没有电池，我们就无法体验到这样便捷的数智生活。

常见的电池多数都由锂制成，也称为锂离子电池。自1985年问世以来，锂离子电池确实在数十年间推动实现了诸多进步，但为了满足不断发展的可持续性和性能标准，采用新的材料和电池设计也势在必行。

电池材料建模正好能够在这方面发挥作用。通过协同设计新电池的结构和化学成分，电池材料建模可以帮助电池开发者探索新材料并优化性能，从而最终缩短开发时间并降低成本。本文将介绍电池技术在当今绿色科技革命中有何发展，电池建模有哪些优势，以及新思科技如何利用自身的建模软件Simpleware和QuantumATK解决方案帮助客户为新的电池类型进行建模。

电池的发展历程

电池最初非常简单，主要依靠化学反应产生电能。可供选用的材料种类相当有限，只需要阳极、阴极和一些液体。事实上，第一枚简易电池是Alessandro Volta发明的，他将几组铜片和锌片堆叠起来，在铜片与锌片之间夹上浸有盐水的布片制成了电池。

从第一枚简易电池问世以来，电池已经走过了漫长的发展历程。如今，锂离子电池由于可充电且成本低廉，适合用于各种消费电子产品，因此占据了电池市场绝大部分的份额。这些电池有的在人们随身携带的电子设备中为高性能CPU供电，并不会产生太多热量；有的则在为汽车提供动力，又不至于引发火灾。然而，无论何时，当一个小小的器件中装有如此多的电力时，总会有燃烧的可能，造成安全隐患。

不过，锂离子电池最大的问题是，尽管它们在为电动汽车等其他可持续解决方案提供电力，但它们本身并不环保。有时候，锂离子电池离不开稀土金属，而稀土金属不仅开采成本高，且往往只分布在部分国家。现在我们要做的是通过整个元素周期表寻找新的电池技术和材料，确保既能做到可持续、更安全且具有成本效益，以及最优的性能。

十年前，人们关注的都是哪种金属能够为电动汽车提供最大的动力，如今，我们更多的是在寻找可扩展的电池技术。电池开发者现已在利用建模软件寻求创新的方法来开发下一代电池。

电池建模的众多优势

在早期的几代化学电池中，可以探索的材料组合只有几种。如今，电池材料的市场规模要大得多，也更复杂。例如，固态电池可以使用几乎无限种材料组合，有望取代锂离子电池。固态电池之所以拥有如此大的发展前景，是因为它们不易燃又具有更高的能量密度，充电速度更快，需要的原材料更少，并且在性能开始退化之前的充电循环次数更多。尽管如此，开发者仍需要应对一些挑战，比如抑制可能导致安全隐患的枝晶问题、充放电循环过程中较差的机械稳定性以及电阻问题。

使用电池设计软件进行建模，有助于从无数种可能的组合中选出最有前景的固态电池材料，帮助解决以上各种挑战。

软件建模让开发者可以从无数种可能的材料组合中筛选出理论上可行的组合，帮助节省数百万美元的实验费用。此外，无论电池设计背后的理论多么出众，有时它的实际效果并不像开发者期待的那样完美。电池设计中涉及到大量的物理学知识，仿真可以帮助电池开发者排除故障。例如，改变一种电池材料可能会导致设备过热和发生爆炸。仿真让开发者能够以较低的成本轻松地测试一个方案，并在必要时做出调整。

对企业来说，仿真变得越来越重要。因为企业不能再仅依靠大学的研究来寻找新的电池解决方案。建模软件可以帮助电池开发者专注于市场的重要标准，并使用虚拟环境来加速完成实验，从而使开发过程更具成本和时间效益。

新思科技电池建模解决方案

新思科技是领先的电池建模软件提供商之一，也是仅有几家产品组合中包含基础物理学仿真工具的公司之一。相比之下，其他公司通常依靠来自现实世界实验的校准，但无法帮助客户探索那些现实实验无法映射到的领域。

新思科技的其中一款主要建模软件产品是Simpleware™平台，在该平台上，用户可以从3D图像数据快速生成模型，从而评估不同种类的能源材料。这款软件简单易用，包含多种图像处理和测量工具，并且允许用户导出严密的几何网格用于3D打印和FE/CFD仿真。最重要的是，Simpleware软件可用于对能源材料的形态和功能特征分析，让开发者能够更快、更准确地开发电池。

在基于图像的建模中，开发者遇到的主要瓶颈就是分割。开发者需要手动标记图像数据中的体素（3D像素），并将其归类为不同的材料。试想一下，一个人需要逐片给不同的部分上色是多么繁琐的工作。Simpleware现在可以利用人工智能技术，使分割过程完全实现自动化，并推出优化的解决方案，让开发者能够将基于图像的工作流程扩展到生产上。

英国帝国理工学院和伦敦大学学院都在使用Simpleware软件来改善固体氧化物燃料电池的寿命和老化问题。研究人员从纳米和微观的层面上研究了电池与温度、电化学和应力因素之间的关系，并使用新思科技的软件来处理图像数据，导出网格进行仿真。这使得研究人员能够对燃料电池的寿命和老化问题进行不同尺度的研究，从而对各个相位和接口上的主应力特征进行分析。

新思科技另一款实用的建模软件是QuantumATK原子仿真软件，可以帮助开发者设计新的电池阴极和阳极材料、液体和固体电解质、添加剂以及固体电解质界面相（SEI）材料，从而为汽车行业以及其他工业应用打造密度和安全性更高的电池。借助QuantumATK软件，开发者可以寻找用于固态电池、固体/聚合物电解质、锂离子替代物（钠、镁等）、锂硫电池、锂金属电池和锂空气电池等替代电池技术中的下一代材料。

电池设计的未来趋势

虽然锂电池技术为当前的技术革命提供了动力，但研究人员目前正在搜索整个元素周期表，希望找到更安全、可再生、更强大且更具成本效益的不同电池材料组合。

潜在的材料组合数以万亿计，研究人员目前只深入探索了当前信息技术革命中使用的约10种材料组合。要想从这数万亿种材料中找出更佳的组合，仿真技术不可或缺，并推动未来电池技术的发展和飞跃。