聚焦科研 | 浅谈新能源电池设计评估制造仿真与全生命周期管理平台

发布时间:

2023-12-19

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科研负责人介绍

北京大学工学院 长聘副教授。于2009年在美国加州理工学院航空系获得航空学博士学位,2009 到2013 年任加州理工学院 Galcit 航空实验室与Powell-Booth计算科学实验室Research Scientist,2013年8月加入美国凯斯西储大学机械航空系任助理教授,并于 2020 年 6 月晋升为长聘副教授。

多年来致力于材料在高温、高压、高应变率等极端热力学条件下动态行为的理论与仿真计算研究,在多物理场强耦合数值模拟、先进计算方法、基于物理的多尺度材料建模、断裂力学、增材制造以及超大型并行计算机辅助工程软件等方向取得了突出的研究成果。共发表期刊论文 50 余篇,其中力学与计算科学权威 SCI 期刊发表论文 40 篇。曾获美国国家科学基金会职业奖(NSF Career Award)以及美国 NASA Glenn 暑期教授奖(Summer Faculty Fellowship) 等资助,主持和参与了多项中国自然科学基金面上项目、NSF、DoE、DoD、DARPA 及 NASA 资助的重要科研项目,以 PI 身份主持和参与的科研项目资助超过数千万美元。多次受邀在《World Congress on Computational Mechanics》、《U.S. National Congress on Computational Mechanics》等国际会议上做特邀报告介绍其最新学术成果,并组织了ASME第一届3D打印行会(AM3D Additive Manufacturing+3D Printing Conference & Expo)以及美国第一届无网格方法理论与应用大会(US Thematic Conference on Meshfree and Particle Methods: Applications and Theory)等。

 

1 新能源汽车“跑出”产业新未来

当前,全球正在开启一个传统能源和可再生能源博弈的新时代,材料和电子技术的快速发展与创新,以及全球践行“双碳战略”的背景下,新能源电池,特别是锂离子电池 (Lithium Ion Batteries, LIBs),在消费电子、交通运输和国防军事装备领域等领域显示出广阔的应用场景。尤其是近年来电动汽车市场规模持续扩大,2023年我国已经培育形成了全球最大的新能源汽车消费市场,进入了全面市场化发展的关键阶段,为全球汽车产业电动化转型注入了强大的动能,能源科技创新进入持续高度活跃期。

 

2 协同推动储能技术探索

开发兼顾高安全性和长续航里程的电池,成为了新能源汽车行业关注的焦点。相比于现有电动车广泛使用的有机液体电解质锂离子电池,全固态锂离子电池 (All Solid-State LIBs, 以下简称“ASSLIBs)”作为下一代储能应用最有希望的候选者之一,具有不挥发、不易燃、稳定性更高、不漏液等显著优势,同时提供了更宽的电池电压窗口和更高的能量密度等,目前正得到越来越广泛的关注与深入的研究。

然而,ASSLIBs 的商业化将取决于现阶段电池材料与电池结构的研发设计中关键电化学、热力学和机械稳定性问题的解决。电池结构复杂,工作原理本质上是一个多尺度物理场强耦合系统,物理实验难以有效的推动 ASSLIBs 技术的快速成熟,迫切需要理论模型与数值仿真工具的支撑。由于现有的商业软件对电池的仿真还仅仅局限在较为基础的热仿真、结构仿真和电化学仿真阶段,无法真正做到电-化学-热-力多物理场的强耦合,且绝大部分商业软件的模拟对象还是传统的液态锂电池,缺乏对 ASSLIBs 的有效支持。因此,发展新能源电池多物理场多尺度仿真模拟技术并形成国产自主化的电池设计研发类工业软件是现在业界亟待解决的瓶颈,也是国家新能源战略的核心。

 

3 超级平台“跟踪”电池全生命周期各环节

北京大学南昌创新研究院(以下简称“北大南昌院”)新能源电池设计评估制造仿真与全生命周期管理平台项目组(以下简称“项目组”),围绕 ASSLIBs 的“加工工艺—微观结构—材料属性—产品性能”关系的量化这条主线,从建立电-化学-热-力多场强耦合计算理论与多尺度计算模型、新能源电池使用性能与安全性评估方法与专业软件、新能源电池制造工艺仿真算法与专业软件三方面展开研究工作。

项目组将基于新型数值方法,采用软件工程的最新理论与实践,开发能够模拟电池加工制造工艺、预测电池使用过程中材料微观结构演化,分析电池使用性能与寿命以及电池-结构耦合安全性评估的仿真计算平台 (All Solid State Battery Design Analysis and Manufacturing Simulations, BDAMS),为全固态电池研发材料的选择、微观结构设计、性能评估与优化、合成与制造以及后期电池使用寿命的跟踪与分析等全生命周期的各个环节提供有力的支撑工具,同时对解决ASSLIBs 商业化过程中的关键问题具有重要价值,助力新能源汽车、消费电子、国防军事装备、生物医疗工程等行业完善其创新产品与便携式能源系统的整合以及提升整体安全性能。

目前,项目组相关产品已在锂电池行业龙头企业江西赣锋锂电科技有限公司开展试点应用。未来,北大南昌院将继续协同各方合作伙伴,全链减碳,为行业带来更安全、更高效的电池性能解决方案,助力江西打造绿色低碳发展高地,更有力地支撑我国“双碳”目标实现。