文 |张丞
编辑 |石亚琼
封面来源|视觉中国
今年，动力电池领域的竞争开始白热化。宁德时代和中创新航分别推出了自己的新一代产品，麒麟电池和OS高锰锂电池。新进入者新旺达今年宣布了多个扩产项目，未来将寻求独立上市。
天下武功，唯快不破。
想象一下，如果新一代性能更好或成本更高的电池产品在3-6个月内发布，企业可能会享受一定的市场溢价，或以更低的价格占据更高的市场份额。
持续积累多代产品研发优势，将为企业赢得战略主动。这一切都取决于研发体系的建设。可见头部电池企业已经深刻认识到这一点，并在这方面不断加大投入。
例如，宁德时代继续建设世界领先的数字研发平台，通过数字研发手段提高研发效率，将大数据、云计算和人工智能嵌入电池研发，实现理性设计。
中国创新航空公司打造的电池技术创新平台包括六个方面：材料开发、电池设计、化学系统创新、模拟测试、智能制造、数字化和材料回收，为新一代动力电池产品的开发提供核心技术能力支持。
创新航电池技术创新平台
对于动力电池企业来说，未来是技术创新的速度和力量。在技术创新的硬功夫背后，是一套由数字研发技术支持的高效产品研发体系。
一、电池核心研发能力体系及技术趋势技术密集型企业的核心竞争力主要体现在企业研发能力或新产品开发能力上。新产品开发能力本身是由各行业专有的技术能力有机整合而成的。
除了关注产品背后的核心技术能力外，我们还应该看到整个研发体系的构建。那么，在新产品开发能力的冰山下，大型电池制造商需要建立什么样的研发体系呢？
对电池企业而言，电池新产品开发的核心研发能力和系统构成大致可分为三层，如下图所示。
图 电池研发能力系统示意图 36氪制图
新产品开发主要依靠企业的核心技术能力，因此图中新产品开发能力金字塔的底层是电池行业领域的各种核心技术能力，材料开发能力、电化学仿真能力、材料计算能力、测试实验能力、生产工艺能力（包括烧结涂层）等，包括电池设计能力、正负极、隔膜、电解质等材料。
中层是研发整合能力。更值得注意的是，培养高效新产品开发能力的核心还包括如何处理组织内部核心能力、知识和流程的整合，这是一个跨学科、跨功能的问题。
如果整个产品开发系统想要有效运行，就必须形成强大的研发整合能力，有机地整合各种技术能力和各种研发团队掌握的数据和知识。
如果整个产品开发系统想要有效运行，就必须形成强大的研发整合能力，有机地整合各种技术能力和各种研发团队掌握的数据和知识。
最高层次是企业的新产品开发能力，其结果是企业不断推出的各种动力电池产品。
电池新产品的开发过程通常经历A样，B样、C在样品等几个阶段，研发过程实际上是多个原型方案设计-测试验证（包括实验和模拟）循环，整个过程需要充分考虑化学系统和电池结构、电池性能、生产过程可行性和成本，检查新产品是否满足客户的安全、能量密度、功率等需求。
图 Solid Power分为产品开发阶段
此外，当研发过程普遍相同时，开发速度对企业的竞争优势至关重要。如果电池企业能够建立更高效的设计-模拟/测试验证-制造产品研发周期，并以更快的速度实现新产品的开发，就能赢得战略竞争优势。
但开发速度应以高效稳定的研发体系为基础。坚实的研发体系必须包括明确准确的设计目标，注重TTM（time to market）、整合内外资源、优质高效的原型方案设计-测试验证循环，帮助企业更快地开发有吸引力的新产品，探索生产过程。
对于电池研发，为了使整个产品研发系统循环更加高效，需要逐步减少中间实验试错迭代的步骤和次数，逐步提高模拟指导设计的比例，通过数字手段提高数据收集、分类和分析过程的效率。
图 清华大学副教授李哲：先进的动力电池设计技术和研发模式改变
由此可见，电池的材料创新、结构创新和系统集成创新离不开信息技术的应用，整个研发系统越来越需要通过计算和数据进行整合和驱动。
具体来说，数字化研发技术主要包括底层虚拟仿真技术和中层研发整合能力。借助数字化研发，企业可以构建高效的产品开发循环。
构建高效产品开发循环系统的关键数字技术主要包括经典CAE数据管理与分析技术，仿真技术，新兴的计算材料学技术，仿真与测试实验。这些技术也在不断发展，新的发展趋势值得关注。下面将逐一介绍：
多尺度多尺度仿真和仿真CAE模拟作为数字技术的经典研发之一，在电池领域的作用将变得越来越关键。现有的电池模拟技术和软件模拟主要集中在电池和模块系统的规模上。微观规模上的电化学过程模拟仍存在一定的技术瓶颈，需要结合锂电池电化学模型的理论创新来突破这些瓶颈。
电池仿真技术的主要发展趋势是多尺度仿真。多尺度模拟是在电池材料的特性（微原子、分子层）、活性材料颗粒、极片、电池芯、电池模块、电池组等尺度上进行模拟和设计优化。
图 锂离子电池多尺度设计和模拟技术概况
从材料-结构-工艺-性能四面体关系出发，提高锂电池的正向设计能力。材料基因组在微观尺度上，DFT、MD方法是从材料的特点出发，辅助筛选新的正负极、电解质、隔膜和粘合剂，开发新的化学材料体系，满足新电池的能量密度、功率或安全要求。
另一方面，从电极微观结构出发，构建真正的极片结构模型，可以提高电池的整体性能，结合制造工艺优化工艺参数，实现设计制造两端的协同优化。
此外，未来固态电池的研发将基于新的电化学理论模型，这也需要电化学理论创新来引领工程创新。
为了提高锂离子电池的性能，合理优化电池材料和结构设计，有必要系统地研究电池内各物理场的耦合机制，深入了解电池运行机制，建立数学物理模型并应用FEM、FVM、LBM结合高性能计算，构建高效设计-仿真验证的产品开发循环系统。更多关于锂电池的多尺度模拟技术CAE前沿发展的内容，作者之前已经在了
动力电池竞争的下一个维度是模拟电池开发的「摩尔定律」》本文详细阐述了。
目前，龙头电池企业已开始利用尖端仿真技术辅助指导电池新产品的研发。宁德时代董事长曾玉群认为，材料创新本质上与计算能力竞争。
宁德时代通过数字研发手段提高高R&D效率，不断推进材料体系和系统结构的创新，加快了钠离子电池、锂金属电池、无钴无贵金属电池等新化学系统的R&D进程。
2021年，宁德时代通过高通量材料集成计算平台，对原子级材料进行模拟设计和优化，开发高能量密度、高稳定性、低温性能优异的第一代钠离子电池技术。
宁德时代也在运用基于密度泛函理论的第一原理，通过高通量计算筛选掺杂元素，改性现有材料，进一步提高电池工作电压、能量密度等指标。
21建立在宁德时代C创新实验室分为数字研发（主要是实验测试数字管理）、前沿材料研究、新一代太阳能电池、先进电池研究、聚合物研究、智能计算和数字中心六个团队。
实验室的核心是构建AI 物理数字研发系统包括多尺度计算模拟和高通量计算，如利用相场模拟探索颗粒分布对极化的影响，并引入AI技术，如机器学习函数的力场和分子动力学方法，辅助材料的筛选和设计，如电解液材料，首先进行虚拟材料筛选，从数亿计的材料中筛选出最好的材料。
2021年，宁德时代还宣布与深度科技合作，共同研发材料计算平台，从原子分子尺度探索新的电池材料化学系统，努力从底层物理化学反应过程中找到电池电化学过程的基本规律，筛选可用的正负极材料和电解质材料，设计材料的微观结构。
图 中创新航OS高锰锂电池产品的核心技术和指标
图 中创新航电池研发核心技术
模拟技术本身非常困难和复杂，需要输入大量的初始条件和参数，以及在什么情况下使用网格离散格式和数值模拟算法，工程师需要经过长期的专业培训来掌握，了解模拟结果和产品性能之间的关系并不容易，这些是构建高效研发体系的瓶颈。
因此，近年来，模拟技术也开始流行和包容性。其价值意义在于降低使用模拟技术、了解模拟过程结果的门槛，以促进设计、模拟、测试和产品人员之间的深入沟通。
实现仿真大众化、普惠化的重要技术方法是构建仿真APP，包装专家经验、行业知识和设计模拟过程，为普通设计工程师或非工程师群体提供特殊场景下的工程模块，可以大大降低模拟技术的应用门槛。
例如，仿真APP热管理专家可以评估模拟结果是否合理，但他们不需要掌握复杂的模拟知识和求解器操作来完成模拟工作。
目前，许多国际主流仿真软件已经开始提供仿真构建APP例如，功能COMSOL Multiphysics 它包括用于构建和发布的用途 App 或指导模拟工作流程的功能。该功能允许模拟专家创建模拟应用程序，只有少数变量需要输入，允许模拟新手和非专家在不学习模拟软件的情况下使用APP完成设计的虚拟验证任务。该功能允许模拟专家创建模拟应用程序，只有少数变量需要输入，允许模拟新手和非专家在不学习模拟软件的情况下使用APP完成设计的虚拟验证任务。国内索为、安世亚太、云道智能制造也在工业模拟APP取得突破。
研发数据管理与分析目前，电池研发、模拟验证和实验测试验证是不可或缺的环节，在整个研发过程中会产生大量的虚拟验证和真实验证数据。
因此，设计、模拟和测试的数据是否能在每个研发团队中顺利传输和共享，每个功能团队成员是否能直观地理解这些数据背后的意义，这是研发整合的基础，也将决定整个研发系统整合的效果。
目前，电池企业的内部设计、模拟和测试往往是一个独立的团队，电池研发是一个复杂的高集成问题。因此，高效、深入的双向沟通是加快电池研发的重要和必要因素。将设计需求或方案扔到下游的方法不利于设计方案的及时沟通，频繁密切的信息交互和数据流通。当然，这种高效的集成和整合对组织合作提出了更高的要求。
要实现R&D团队之间数据的高效共享，首先要管理设计、仿真、测试等环节的数据。
材料数据管理：电池研发的核心在于材料配置 方”
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