Hexagon e Fraunhofer ITWM per la simulazione delle celle

Hexagon presenta una nuova soluzione per la progettazione delle celle per batteria, che combina la tecnologia di simulazione elettrochimica di Fraunhofer ITWM con i software di simulazione multifisica e di metrologia di Hexagon per velocizzare le fasi di ricerca e sviluppo di nuove celle.

Introdurre sul mercato una nuova cella per batteria è un processo molto articolato ed estremamente complesso. Le fasi di ricerca e sviluppo sono lunghe e comprendono il Design of experiments (DoE), utilizzando i principi della simulazione per sviluppare nuove progettazioni elettrochimiche testate in laboratorio con il metodo trial-and-error. Numerosi passaggi nella produzione delle celle possono influire sia sul tasso di scarto che sulle loro prestazioni.

La nuova soluzione per la progettazione elettrochimica delle batterie integra il software Battery and Electrochemistry Simulation Tool (BEST) di Fraunhofer ITWM all’interno della suite Digital Materials di Hexagon, permettendo un’esplorazione efficiente dei design delle celle attraverso simulazioni multifisiche e tenendo in considerazione anche l’impatto dei processi di produzione.

Questo “laboratorio virtuale” offre significativi vantaggi in termini di costi e produttività. Tramite un’unica interfaccia utente, i clienti possono modellare la microstruttura degli elettrodi fino all’assemblaggio completo della cella (elettrolita, separatore, materiale attivo, legante, collettore di corrente) partendo da una libreria integrata di materiali per batterie, ed esplorare l’impatto che hanno le modifiche alle proprietà dei materiali e alla microstruttura della batteria. E’ possibile:

• Migliorare le prestazioni, come l’efficienza energetica, la durata e i protocolli di ricarica ottimali, scegliendo materiali e configurazioni appropriati, inclusa la distribuzione delle dimensioni delle particelle e la distribuzione del legante a base di carbonio
• Analizzare l’impatto dei processi di produzione sulla microstruttura delle celle, con la possibilità di ricostruire la struttura interna delle celle prodotte a partire da una scansione CT, grazie al potente software di metrologia 3D VGSTUDIOMax di Hexagon
• Analizzare l’invecchiamento della batteria e le conseguenze che potrebbero verificarsi in termini di sicurezza del design delle celle per sviluppare un protocollo di ricarica ottimale per il sistema di gestione della batteria

Guillaume Boisot, Senior Director Materials & Platforms di Hexagon
La progettazione e lo sviluppo delle celle presentano sfide complesse, dovendo bilanciare attentamente materiali e progettazione elettrochimica, progettazione meccanica e processi di produzione. Storicamente, gran parte di questo processo complesso si è basata sul metodo trial-and-error ma oggi, grazie alla nostra collaborazione con Fraunhofer ITWM, supportiamo i team di ricerca e sviluppo nella creazione di celle per batterie con prestazioni migliori, sviluppandole più velocemente e ricevendo rapidamente feedback dai prototipi.

Subham Sett, Vice President Multiphysics di Hexagon
Le prestazioni e la qualità delle batterie sono fattori distintivi, in particolare nel settore automobilistico. Abbiamo investito molto nelle nostre soluzioni di simulazione della gestione termica e del runaway termico, e grazie a questa innovazione forniamo ai produttori una visione completa di queste interazioni multifisiche per prendere decisioni migliori, e in anticipo, nel processo di progettazione.

Il solver BEST

La nuova soluzione integra il solver BEST di Frauenhofer ITWM nel software di modellazione del comportamento dei materiali Digimat di Hexagon, parte della suite HxGN Digital Materials. Attraverso un’unica interfaccia utente, è possibile simulare l’elettrochimica della microstruttura dei vari componenti di una cella, come l’elettrolita, il separatore, il materiale attivo, il legante e il collettore di corrente. La soluzione supporta configurazioni comuni delle celle agli ioni di litio, oltre a quelle per batterie con chimiche a zinco e sodio, sfruttando le avanzate tecniche di modellazione elettrochimica sviluppate dal Fraunhofer ITWM.

Digimat offre una libreria di proprietà comuni dei materiali che può essere ampliata direttamente nel software o utilizzando i software per la gestione dei dati dei materiali MaterialCenter e Materials Connect di Hexagon. Le microstrutture possono essere importate dalle analisi di scansioni CT utilizzando VGSTUDIOMax o create direttamente in Digimat.

Inoltre, i team di progettazione delle batterie possono utilizzare il modello di microstruttura sviluppato in Digimat per approfondire la caratterizzazione delle proprietà meccaniche. Il comportamento dei materiali su scala macroscopica può essere valutato attraverso un Volume Elementare Rappresentativo (RVE), che consente di estendere il modello per le analisi strutturali della cella, integrando un modello semplificato di materiale Digimat nel software di analisi meccanica pertinente.