Hexagon et Fraunhofer ITWM accélèrent la conception de nouvelles batteries avec une solution de simulation électrochimique

• Une nouvelle solution logicielle permet aux départements R&D de réduire les tests de laboratoire coûteux en simulant les performances électrochimiques des nouvelles conceptions de cellules, ce qui accélère la découverte de technologies avancées en matière de batterie
• L’étude virtuelle de la conception permet de mieux comprendre comment les changements morphologiques internes d’une cellule (taille des particules, forme, surface) influencent sa performance.
• Les fabricants peuvent réduire les cycles d’essais-erreurs coûteux en utilisant un jumeau numérique pour comprendre l’effet des processus de fabrication sur la qualité et les performances des cellules

Hexagon annonce aujourd’hui le lancement d’une nouvelle solution de conception de cellules de batterie qui combine la technologie de simulation électrochimique de Fraunhofer ITWM avec des logiciels de simulation de matériaux multiphysique et de métrologie d’Hexagon pour accélérer considérablement les nouveaux programmes de recherche et de développement de cellules de batterie.

L’introduction d’une nouvelle cellule de batterie est extrêmement complexe et chronophage. Les processus de R&D sont fastidieux et englobent un plan d’expérience (DoE) avec des simulations de premiers principes pour découvrir de nouvelles conceptions électrochimiques, qui sont testées à travers des essais physiques en laboratoire. De nombreuses étapes du processus de fabrication des cellules peuvent affecter non seulement le taux de rejet, mais aussi les performances de la cellule.

La nouvelle solution de conception électrochimique de batteries d’Hexagon intègre le solveur Battery and Electrochemistry Simulation Tool (BEST) de Fraunhofer ITWM dans la suite Digital Materials d’Hexagon pour permettre une exploration multiphysique efficace des conceptions de cellules, tout en tenant compte des effets des processus de fabrication.

Ce « laboratoire virtuel » présente de grands avantages en termes de coûts et de productivité. Grâce à une interface utilisateur unique, les clients peuvent modéliser la microstructure des électrodes jusqu’à l’assemblage complet de la cellule (électrolyte, séparateur, matériau actif, liant, collecteur de courant) à partir d’une bibliothèque intégrée de matériaux de batterie. Ils peuvent aussi explorer l’impact que les modifications des propriétés des matériaux et de la microstructure de la batterie ont, notamment, sur les domaines suivants :

• Amélioration des résultats de performance tels que l’efficacité énergétique, la durée de vie, les protocoles de charge optimaux grâce à la sélection des matériaux et des configurations appropriés, y compris la distribution de la taille des particules et celle des liants carbones.
• L’examen de l’impact des processus de fabrication sur la microstructure des cellules, y compris la possibilité de rétroconcevoir la structure interne des cellules fabriquées à partir d’un scan CT et du puissant logiciel de métrologie 3D VGSTUDIO Max d’Hexagon.
• L’étude du vieillissement des batteries et des implications sur la sécurité de la conception des cellules pour établir un protocole de charge optimal pour le système de gestion des batteries.

Guillaume Boisot, directeur principal du service Matériaux & Plateformes chez Hexagon, déclare : « La conception et le développement des cellules présentent des défis majeurs en raison de la complexité du choix entre les matériaux, le design électrochimique, le design mécanique et les procédés de fabrication. Une grande partie de ce processus complexe s’est appuyée jusqu’ici sur des cycles essais-erreurs, mais grâce à notre partenariat avec Fraunhofer ITWM, nous sommes certains que nous pouvons aider les équipes R&D à améliorer les performances des conceptions de cellules de batterie et à les développer plus vite grâce à un retour rapide des prototypes. »

Subham Sett, vice-président de l’unité Multiphysique chez Hexagon, ajoute : « Les performances et la qualité des batteries sont des facteurs de différenciation concurrentielle, en particulier sur le marché automobile. Nous avons investi dans notre gestion thermique et nos simulations d’emballement. Avec ce nouveau complément, nous sommes convaincus de pouvoir aider les fabricants à obtenir une vision plus globale de ces interactions multiphysiques dans le cadre de la redéfinition du processus de conception. »

Dr Jochen Zausch, Fraunhofer ITWM note : « Nous avons bénéficié d’une excellente collaboration technique pour intégrer notre solveur électrochimique de batterie - BEST – à l’innovant logiciel de modélisation de matériaux d’Hexagon. Maintenant, nous avons hâte de contribuer à faire avancer plus rapidement les nouvelles innovations en matière de batteries grâce à ce processus de simulation complet. »

La nouvelle solution de conception électrochimique de batteries intègre le solveur BEST de Fraunhofer ITWM au logiciel de modélisation du comportement des matériaux - Digimat - d’Hexagon, qui fait partie de la suite HxGN Digital Materials. À partir d’une interface utilisateur unique, les utilisateurs peuvent simuler l’électrochimie de la microstructure, de l’électrolyte, du séparateur, du matériau actif, du liant et du collecteur de courant d’une cellule pour les configurations courantes de cellules lithium-ion, ainsi que les produits chimiques des batteries au zinc et au sodium, en utilisant les techniques de modélisation électrochimique avancées de Fraunhofer ITWM.

Digimat comprend une bibliothèque de propriétés de matériaux courants qui peuvent être étendues dans le logiciel ou à l’aide des logiciels de gestion de données de matériaux MaterialCenter et Materials Connect d’Hexagon. Les microstructures peuvent être importées à partir d’analyses par scanner CT à l’aide de VGSTUDIO Max ou créées directement dans Digimat.

De plus, les équipes de conception de batteries peuvent appliquer leur modèle de microstructure développé dans Digimat pour étudier davantage les propriétés mécaniques. Le comportement des matériaux à l’échelle macroscopique peut être évalué à l’aide d’un élément de volume représentatif (EVR), ce qui étend la capacité du modèle pour les analyses structurelles de la cellule, en intégrant un modèle de matériau Digimat simplifié au logiciel approprié d’analyse mécanique.  De cette manière, les ingénieurs en mécanique peuvent évaluer les performances mécaniques du « jelly roll » pour optimiser la conception mécanique et la sécurité de la batterie en fonction des propriétés précises du matériau.

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