Echipele de cercetare și dezvoltare muncesc asiduu pentru a crea baterii mai bune, mai prietenoase cu mediul înconjurător, care să ofere mai multă energie la un preț redus.
În tranziția de la combustibilii fosili la energia durabilă, bateriile permit două lucruri importante: alimentarea vehiculelor și stocurile de rezervă pentru rețeaua de energie electrică. De fapt, bateriile sunt atât de importante încât cercetătorii și dezvoltatorii încearcă mereu să le îmbunătățească, astfel încât să aibă o durată mai mare de viață, să coste mai puțin, să ofere mai multă putere și să fie mai sigure. În plus, dezvoltatorii acestora caută materiale mai puțin periculoase, ce pot fi extrase cu ușurință, într-un mod fezabil.
Astăzi, litiu-ion (Li-ion) sunt considerate cele mai bune baterii pentru aplicațiile tehnologice. Bateriile Li-ion, inventate în anii 1980 și disponibile comercial începând cu 1991, au fost folosite în special pentru alimentarea telefoanelor mobile, laptopurilor și a altor dispozitive electronice portabile. Totuși, pe măsură ce impactul schimbărilor climatice a fost conștientizat, cercetătorii au început să le folosească inclusiv pentru alimentarea mașinilor electrice, a camioanelor și transportului aerian. Totodată, astfel de baterii au devenit o sursă energetică de rezervă pentru rețeaua electrică, fiind utilizate pentru a stoca electricitate, utilizabilă atunci când lipsește energia solară sau eoliană.
Deși bateriile Li-ion sunt în prezent cea mai bună opțiune pentru astfel de întrebuințări, ele nu sunt perfecte. Pentru a menține suficientă putere, necesară ca să pună în mișcare un automobil sau un avion, este nevoie de un număr masiv de celule Li-ion. Toate aceste celule au un cost ridicat, ceea ce face ca vehiculele electrice să fie mai scumpe decât își pot permite consumatorii de obicei. De asemenea, celulele ocupă mult spațiu, influențând dimensiunea și greutatea vehiculelor. Nu în ultimul rând, litiul este un element rar, dificil de obținut, procesele actuale de extracție necesitând volume masive de apă.
Inventarea unei baterii mai bune
Echipele de cercetare și dezvoltare a bateriilor încearcă să rezolve toate neajunsurile menționate anterior. Unele cercetează cum să producă baterii Li-ion care să furnizeze mai multă energie, având simultan o greutate mai mică. Altele se concentrează să identifice materiale mai bune decât litiul, care ar putea oferi densități mai mari de energie la costuri mai mici, cu mai puține compromisuri asupra mediului înconjurător.
Găsirea unei soluții viabile este o provocare uriașă. Cu atât mai mult cu cât cercetătorii au și un termen limită – anul 2050, dată până la care Națiunile Unite și-au propus să elimine utilizarea combustibililor fosili. Cercetarea și dezvoltarea bateriilor poate dura mulți ani. În plus, găsirea materialelor alternative și sustenabile reprezintă doar începutul. Ulterior, cercetătorii trebuie să dezvolte și să perfecționeze tehnici complexe de fabricație. Experții în logistică trebuie să dezvolte lanțuri de aprovizionare, necesare pentru a livra noile materiale. Nu în ultimul rând, producătorii de dispozitive trebuie să depună eforturi pentru a proiecta produse care să utilizeze cât mai eficient noile baterii îmbunătățite.
În mod cert, cercetătorii nu au timp să facă toate aceste lucruri, apelând la procesele lente și laborioase de cercetare, dezvoltare și testare, care au oferit lumii bateriile Li-ion. Întrebarea firească este dacă dispunem de vreo opțiune care să facă față provocării? Răspunsul e afirmativ. Tehnologiile de simulare, precise din punct de vedere științific, oferă rezultate exacte, pentru baterii mai bune, într-o fracțiune din timpul necesar pentru testarea fizică, tradițională. Mai mult, experimentarea virtuală nu consumă nici un material prețios, necesar pentru construirea bateriilor. Modelarea și simulările 3D, combinate cu inteligența artificială, sunt soluția viitorului.
Experții din domeniul cercetării și dezvoltării virtuale
Din păcate, în prezent, puțini cercetători de baterii dețin sistemele virtuale de dezvoltare și testare de care au nevoie, sau experiența necesară pentru a le folosi. Au, totuși, un aliat de nădejde: echipele de consultanță multidisciplinare, calificate în aplicarea proceselor virtuale de cercetare, dezvoltare și testare.
Dassault Systèmes angajează cei mai importanți experți din lume în cercetare și dezvoltare virtuală. Pentru a-și realiza cercetările într-un timp record, cercetătorii de baterii, dar și companiile care folosesc baterii în varii produse, au apelat la echipa de cercetare Dassault Systèmes, pentru a primi ajutor în cele mai dificile proiecte.
Echipa include experți de la BIOVIA – marca Dassault Systèmes, specializată în modelarea virtuală, la nivel atomic și molecular, precum și în știința datelor și învățarea automată. Această echipă a creat Advanced Technology Capability (ATC) cu software-ul BIOVIA, care include modele validate, algoritmi științifici, conținut de baze de date și fluxuri de lucru specifice pentru inovarea și fabricarea celulelor de baterie. ATC-urile permit crearea unor experiențe virtual twin, menite să proiecteze și să optimizeze celulele utilizate în dispozitivele medicale alimentate cu baterii, în telefoanele mobile, vehiculele electrice și eVTOL.
Iată o privire de ansamblu asupra unor proiecte tipice:
- Dezvoltarea materialelor pentru baterii. Un mare OEM a căutat să dezvolte noi materiale electrolitice pentru celulele de baterii mai rapide și mai rentabile. Cu modelare și simulări la nivel molecular, echipa a dezvoltat modele 3D validate ale diferiților electroliți identificați de client, apoi a simulat producția lor, pentru a analiza performanța materialelor și caracteristicile de siguranță. Screeningul virtual a identificat rapid cea mai promițătoare formă de electroliți, reducând timpul de dezvoltare a acestora cu 30%.
- Efectuarea testelor bateriei la nivel molecular. Spre deosebire de simularea virtuală, testele fizice nu au putut dezvălui reacțiile chimice care aveau loc în bateriile unui OEM de automobile. Echipa Dassault Systèmes a folosit simularea moleculară pentru a genera datele necesare simulărilor la nivel de produs. Compararea rezultatelor simulării cu cele obținute prin testarea fizică a dovedit acuratețea simulărilor, validând faptul că datele ar putea fi utilizate în experimente viitoare, reducând nevoia de a face numeroase teste fizice. Rezultatul: o creștere cu 40% a ratei de inovare a bateriei OEM.
- Diagnosticarea problemelor legate de performanța bateriei. Când celulele bateriei unui producător au început să funcționeze slab, OEM a apelat la Dassault Systèmes. Folosind simulări bazate pe chimie, echipa a testat, într-un timp record, o serie de cauze posibile. După identificarea cauzei specifice, echipa a dezvoltat un test pe care vânzătorul îl efectuează acum pentru fiecare lot de baterii, asigurând performanțe consistente, economisind totodată timp și bani .
- Analizarea defecțiunilor bateriei. Un producător de electronice a înregistrat o rată mare de defecțiune a bateriilor și nimic din ceea ce a făcut pentru a modifica procesul de fabricație nu părea să funcționeze. Echipa Dassault Systèmes a venit cu trei ipoteze, pe care le-a testat pe modele virtual twin la nivel molecular. După ce a identificat cauza problemei, echipa a formulat o soluție care a redus rata de defecțiune a bateriei companiei de la 9% la doar 1%.
- Asigurarea garanției bateriei. Pentru a-și respecta promisiunile de garanție, un producător de dispozitive avea nevoie de predicții exacte cu privire la performanța bateriilor sale. Testarea fizică a fost prea lentă și costisitoare, așa că producătorul a adus datele sale despre celulele bateriei la Dassault Sisteme. Echipa a dezvoltat modele care prezic cu precizie performanța. Fiecare nouă rundă de date îmbunătățește și mai mult modelele.
Accelerarea cercetării bateriilor
În eforturile pentru a obține baterii mai puternice, mai ieftine și mai sigure, fabricate din materiale sustenabile și reciclabile, viteza și accesibilitatea sunt vitale. Modelarea și simularea 3D îi ajută pe producătorii de baterii, dar și pe cei care proiectează și construiesc sistemele alimentate de baterii, să-și atingă obiectivele în doar câteva ore sau zile, în loc de câțiva ani, cât ar fi necesari în cazul testelor fizice. Astfel, costurile sunt reduse semnificativ, minimizându-se, în paralel, risipa de materiale rare, valoroase.
Având în vedere nevoia acuta a lumii de baterii mai bune, industria bateriilor are nevoie de rezultate rapide și precise, pentru a accelera tranziția de la cercetarea și dezvoltarea fizică la cercetarea și dezvoltarea virtuală. O abordare mai durabilă a cercetării și dezvoltării, care economisește timp și bani, accelerând simultan introducerea unor tehnologii mai bune, ca cea oferită de Dassault Systèmes, nu poate fi decât o veste bună, atât pentru companii, cât și pentru fiecare dintre noi.
Pentru mai multe noutăți despre modul în care noile tehnologii vă pot ajuta în afacerea dvs., nu ezitați să vă abonați la newsletter.