EDEM於電池製造的模擬與優化

Altair EDEM示意圖

粒子層級模擬（Particle Level Simulation）

       透過離散元素法（Discrete Element Method, DEM），我們可以詳細模擬和分析材料在製程中的物理行為。這樣的技術不僅幫助我們設計和優化設備，還能更好地理解製程，進而提高產品質量和生產效率。
 
 

顆粒模型圖

多物理場模擬（Multiphysics）
       EDEM與多物理場模擬的整合，使有限元素分析（Finite Element Analysis, FEA）、計算流體動力學（Computational Fluid Dynamics, CFD）或多體動力學（Multibody Dynamics, MBD）等模擬更加真實地反映材料的變形。這不僅減少測試與實驗的需求，還提升了對設備性能的理解，有助於在複雜情境下進行模擬。
 
 

EDEM與多物理場模擬整合圖

電極微結構（Electrode Microstructure）
       使用EDEM技術，工程師可以深入了解電極的微結構，而不僅僅是表面特性而已。這有助於模擬不同材料和工藝條件，從而優化電極性能。SEM圖像與EDEM模擬的對比顯示了EDEM技術在電極微結構研究中的應用。此外，EDEM技術還能模擬粒子的微觀和宏觀行為，進一步提升對材料行為的理解。
 
 

電極微結構圖

電池製造過程（Battery Manufacturing Process）
       EDEM技術可全面模擬電池製造過程，包括粉碎、混合、篩分、壓實、煅燒、乾燥、分離等，幫助優化工藝流程。從活性材料（Active material）、黏合劑（Binder）和導電添加劑（Conductive Additive）的處理，到電極製造與回收，精確預測各步驟影響，提高效率並減少成本。
 
 

電池製程圖

典型的EDEM校準測試
       EDEM校準測試分為實驗室規模和工業規模。這些校準測試確保模擬結果與實際數據高度一致，提高模擬的準確性和可靠性。具體測試包括壓縮測試、剪力測試和顆粒堆角測試，這些測試有助於確定粒子的材料行為。
 
 

校準測試圖

壓延過程（Calendaring Process）
       壓延是鋰離子電池製造中的關鍵步驟，對電極的孔隙結構和電化學性能有重大影響。利用EDEM技術，可以模擬壓延過程，幫助預測和優化電極材料、組成和厚度的影響。這不僅提高了製造效率，還減少了成本。
 
 

壓延過程圖

高級分析工具（Advanced Analysis Tools）
       在電池製造中，好的分析工具對於提升電池性能和生產效率至關重要。EDEM技術提供了一系列電池分析工具，幫助工程師深入理解電池材料的微觀結構及其對宏觀性能的影響。

 

• 微觀結構分析（Microstructure Analysis）

       EDEM技術可以詳細模擬電池電極的微觀結構，包括顆粒的形狀、大小、排列方式等。這些微觀結構特性對電池的電化學性能有直接影響。例如，EDEM可以模擬不同壓實條件下電極的變化，幫助工程師優化壓實工藝，提升電池性能。

 

• 孔隙率與曲折度分析（Porosity and Tortuosity Analysis）

       孔隙率和曲折度是衡量電池電極性能的重要參數。孔隙率描述了電極中的空隙比例，而曲折度則描述了鋰離子在電極中的有效傳輸路徑。低曲折度通常與更高的能量密度和功率密度相關。EDEM技術能夠精確計算這些參數，並提供可視化結果，幫助工程師優化電極設計。

 

• 虛擬實驗室（Virtual Experimentation and Optimization）

       EDEM允許工程師進行虛擬實驗，模擬不同材料和工藝條件下的電池性能。這不僅可以減少物理實驗的數量，節約成本，還能快速獲得不同條件下的性能數據，進行優化。例如，EDEM可以模擬不同顆粒材料在混合、壓實、乾燥等過程中的行為，找出最佳的工藝參數組合。

 

• 連續性與連通性分析（Continuity and Connectivity Analysis）

       EDEM技術還可以分析電極材料的連續性和連通性，這對於理解材料的電導率和離子傳輸特性非常重要。通過模擬和分析材料的連通性，工程師可以進一步優化材料的配方和結構，提升電池的整體性能。
 
 

電解質過程圖

【 結語 】

1. EDEM技術在電池製造中的應用展示了其在粒子層級模擬、多物理場模擬和電極微結構理解方面的強大功能

2. EDEM模擬提升了製造效率和質量，還提供了寶貴的數據和見解，幫助工程師更好地設計和優化電池性能。

3. 隨著技術的發展，EDEM模擬技術將在電池製造中發揮更重要的作用。