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在不考慮能量損耗的前提下，電池的化學組成決定了其理論能量密度。化學組成則取決于電極材料和電解質。鋰空氣電池的能量密度與汽油接近，這或許是電池可能達到的最高能量密度。由于熱管理系統組件和集流體會增加電池系統的總重量，因而此類組件的設計也會在很大程度上影響電池系統的能量密度。

功率密度與快速充電

電池的功率密度是決定電動汽車效率的關鍵因素。電動汽車在制動能量反饋或快速充電的過程中，電池需要具備很高的功率密度，才能在短時間內重獲大量的能量。由于電池系統在充電時需要相當高的電流密度，而在放電時的電流密度相對較低，這就給電池功率密度的優化工作帶來了難題。此外，前面提到的熱管理系統和集流體，以及電極、隔膜、電解液等電池基礎組件的設計均會對功率密度的優化產生重要的影響。

使用壽命、可靠性和安全性

使用壽命是電池設計過程中需要重點考慮的因素，它與電池的安全性和可靠性密切相關。放電、損耗和故障都應當以可控、可監測的方式緩慢地發生。電池的使用壽命不僅與其化學成分有關，電池系統的設計也同樣會對使用壽命的長短產生影響。舉例來說，不均勻的電流密度分布、不良的充/放電控制和熱管理系統都可能會加速電池的損耗，增加故障發生的概率。由金屬沉積引發的短路很可能會造成電池系統性能的降低，并可能導致熱失控的發生。因此，為實現對電池系統狀態和故障風險的持續監測，健康狀態監測是電池設計過程中必不可少的一項技術。

成本

相比于傳統內燃機中機械動力總成的優化程度而言，針對高功率電池和電機動力總成的優化還不完善。相信當電池組件實現大規模量產后，其生產率將會得到提升，同時能夠降低成本。

可持續性

可持續性同樣是新型電池研發中不能忽視的因素。相關部門須針對與新型電池有關的原材料開采、回收、生產和處理工藝等問題制定相關政策。可持續性是一項主要由政府主導的法律問題，然而電池制造商和汽車公司也應當肩負起商業責任。

建模與仿真

建模和仿真工具可以幫助研發人員對電極、電解質和隔膜等電池基礎元件進行分析及優化。同時，熱管理、集流體和健康狀態監測系統也可以使用高精度的多物理場仿真進行開發。

圖 1 顯示了電池組冷卻板中通道的優化模型。熱管理裝置是汽車行業中的常見應用，例如，菲亞特研究中心（Fiat Research Center）使用數值建模研究混合動力汽車中軟包電池的熱管理系統。


圖 1. 液冷式電池組溫度曲線的多物理場仿真結果。流體流動和溫度取自三維模型，集總的一維模型被用于計算鋰離子電池的熱源。

通過將基于電化學阻抗譜（electrochemical impedance spectroscopy，簡稱 EIS）的實驗測量法與數值模型相結合，研究人員能夠有效地推動電池組件的基礎研究及健康狀態監測技術的開發，請參考法國研究機構——原子能與可替代能源委員會（CEA）發表的文章。圖 2 中展示的仿真 App 可以導入實驗數據，并將數據用于 EIS 物理場模型中。該 App 支持計算電極活性、表面積、不同組件的電導率、反應物和產物的質量傳遞屬性，以及電極的荷電狀態等各類參數。


圖 2. 此仿真 App 的作用是解釋電化學阻抗譜（EIS）的實驗測量結果，并展示如何使用模型和測量數據來評估鋰離子電池的性能。仿真 App 將 EIS 測量方法的實驗數據作為輸入，對測量結果進行模擬，然后基于實驗數據運行參數估計。



本文內容來自多物理場仿真:《IEEE Spectrum》特刊 201