在我們的身邊，大大小小的電池隨處可見，從智能手機、筆記本電腦和電動牙刷中的小型電池，到為最新的電動汽車（EV）提供動力的大容量電池，以及用于儲存可再生能源和電網能源的大型電池。如果沒有電池，我們就無法體驗到這樣便捷的數智生活。

常見的電池多數都由鋰制成，也稱為鋰離子電池。自1985年問世以來，鋰離子電池確實在數十年間推動實現了諸多進步，但為了滿足不斷發展的可持續性和性能標準，采用新的材料和電池設計也勢在必行。

電池材料建模正好能夠在這方面發揮作用。通過協同設計新電池的結構和化學成分，電池材料建模可以幫助電池開發者探索新材料并優化性能，從而最終縮短開發時間并降低成本。本文將介紹電池技術在當今綠色科技革命中有何發展，電池建模有哪些優勢，以及新思科技如何利用自身的建模軟件Simpleware和QuantumATK解決方案幫助客戶為新的電池類型進行建模。

電池的發展歷程????????

電池最初非常簡單，主要依靠化學反應產生電能。可供選用的材料種類相當有限，只需要陽極、陰極和一些液體。事實上，第一枚簡易電池是Alessandro Volta發明的，他將幾組銅片和鋅片堆疊起來，在銅片與鋅片之間夾上浸有鹽水的布片制成了電池。

從第一枚簡易電池問世以來，電池已經走過了漫長的發展歷程。如今，鋰離子電池由于可充電且成本低廉，適合用于各種消費電子產品，因此占據了電池市場絕大部分的份額。這些電池有的在人們隨身攜帶的電子設備中為高性能CPU供電，并不會產生太多熱量；有的則在為汽車提供動力，又不至于引發火災。然而，無論何時，當一個小小的器件中裝有如此多的電力時，總會有燃燒的可能，造成安全隱患。

不過，鋰離子電池最大的問題是，盡管它們在為電動汽車等其他可持續解決方案提供電力，但它們本身并不環保。有時候，鋰離子電池離不開稀土金屬，而稀土金屬不僅開采成本高，且往往只分布在部分國家。現在我們要做的是通過整個元素周期表尋找新的電池技術和材料，確保既能做到可持續、更安全且具有成本效益，以及最優的性能。

十年前，人們關注的都是哪種金屬能夠為電動汽車提供最大的動力，如今，我們更多的是在尋找可擴展的電池技術。電池開發者現已在利用建模軟件尋求創新的方法來開發下一代電池。

電池建模的眾多優勢

在早期的幾代化學電池中，可以探索的材料組合只有幾種。如今，電池材料的市場規模要大得多，也更復雜。例如，固態電池可以使用幾乎無限種材料組合，有望取代鋰離子電池。固態電池之所以擁有如此大的發展前景，是因為它們不易燃又具有更高的能量密度，充電速度更快，需要的原材料更少，并且在性能開始退化之前的充電循環次數更多。盡管如此，開發者仍需要應對一些挑戰，比如抑制可能導致安全隱患的枝晶問題、充放電循環過程中較差的機械穩定性以及電阻問題。

使用電池設計軟件進行建模，有助于從無數種可能的組合中選出最有前景的固態電池材料，幫助解決以上各種挑戰。

軟件建模讓開發者可以從無數種可能的材料組合中篩選出理論上可行的組合，幫助節省數百萬美元的實驗費用。此外，無論電池設計背后的理論多么出眾，有時它的實際效果并不像開發者期待的那樣完美。電池設計中涉及到大量的物理學知識，仿真可以幫助電池開發者排除故障。例如，改變一種電池材料可能會導致設備過熱和發生爆炸。仿真讓開發者能夠以較低的成本輕松地測試一個方案，并在必要時做出調整。

對企業來說，仿真變得越來越重要。因為企業不能再僅依靠大學的研究來尋找新的電池解決方案。建模軟件可以幫助電池開發者專注于市場的重要標準，并使用虛擬環境來加速完成實驗，從而使開發過程更具成本和時間效益。

新思科技電池建模解決方案

新思科技是領先的電池建模軟件提供商之一，也是僅有幾家產品組合中包含基礎物理學仿真工具的公司之一。相比之下，其他公司通常依靠來自現實世界實驗的校準，但無法幫助客戶探索那些現實實驗無法映射到的領域。

新思科技的其中一款主要建模軟件產品是Simpleware平臺，在該平臺上，用戶可以從3D圖像數據快速生成模型，從而評估不同種類的能源材料。這款軟件簡單易用，包含多種圖像處理和測量工具，并且允許用戶導出嚴密的幾何網格用于3D打印和FE/CFD仿真。最重要的是，Simpleware軟件可用于對能源材料的形態和功能特征分析，讓開發者能夠更快、更準確地開發電池。

在基于圖像的建模中，開發者遇到的主要瓶頸就是分割。開發者需要手動標記圖像數據中的體素（3D像素），并將其歸類為不同的材料。試想一下，一個人需要逐片給不同的部分上色是多么繁瑣的工作。Simpleware現在可以利用人工智能技術，使分割過程完全實現自動化，并推出優化的解決方案，讓開發者能夠將基于圖像的工作流程擴展到生產上。

英國帝國理工學院和倫敦大學學院都在使用Simpleware軟件來改善固體氧化物燃料電池的壽命和老化問題。研究人員從納米和微觀的層面上研究了電池與溫度、電化學和應力因素之間的關系，并使用新思科技的軟件來處理圖像數據，導出網格進行仿真。這使得研究人員能夠對燃料電池的壽命和老化問題進行不同尺度的研究，從而對各個相位和接口上的主應力特征進行分析。

新思科技另一款實用的建模軟件是QuantumATK原子仿真軟件，可以幫助開發者設計新的電池陰極和陽極材料、液體和固體電解質、添加劑以及固體電解質界面相（SEI）材料，從而為汽車行業以及其他工業應用打造密度和安全性更高的電池。借助QuantumATK軟件，開發者可以尋找用于固態電池、固體/聚合物電解質、鋰離子替代物（鈉、鎂等）、鋰硫電池、鋰金屬電池和鋰空氣電池等替代電池技術中的下一代材料。

電池設計的未來趨勢

雖然鋰電池技術為當前的技術革命提供了動力，但研究人員目前正在搜索整個元素周期表，希望找到更安全、可再生、更強大且更具成本效益的不同電池材料組合。

潛在的材料組合數以萬億計，研究人員目前只深入探索了當前信息技術革命中使用的約10種材料組合。要想從這數萬億種材料中找出更佳的組合，仿真技術不可或缺，并推動未來電池技術的發展和飛躍。