Im Zuge des schnellen Ausbaus erneuerbarer Energien nehmen moderne Energiespeichertechnologien eine Schlüsselrolle ein. Vor allem im Bereich der Elektromobilität werden an den Speicher, hauptsächlich Lithium-Ionen-Batterien, hohe Anforderungen bezüglich Kapazität, Leistungsfähigkeit, Lebensdauer und Sicherheit gestellt. Die Entwicklung neuer Materialien für derart verbesserte Energiespeicher ist jedoch zeit- und kostenaufwändig. Computersimulationen können hierbei nicht nur helfen die Performance möglicher neuer Batteriezellen zu beurteilen, sondern auch die mirkoskopischen Ursachen dafür besser zu verstehen. Letzteres führt zu einem zielgerichteteren und damit effizienteren Vorgehen in der Batterieentwicklung.

 

Entladekurve

Lithium-Ionen-Akkus bestehen aus zwei porösen Elektroden, die durch eine elektrolytgetränkten Separator getrennt sind. Beim Laden und Entladen des Akkus werden Lithium-Ionen zwischen diesen beiden Elektroden über den Elektrolyten ausgetauscht. In der Gruppe “Komplexe Fluide” werden im Rahmen der “Fraunhoher Systemforschung Elektromobilität (FSEM)” mathematische Modelle auf der Grundlage der physikalischen und elektrochemischen Prozesse entwickelt, mit dem sich diese Transport- und Reaktionsvorgänge in einer Batteriezelle auf zwei verschiedenen mesoskopischen Ebenen beschreiben lassen. In beiden Fällen werden gekoppelte, partielle Differentialgleichungen für Lithium-Ionen Konzentration, Stromdichte und Temperatur aufgestellt. Zur Lösung dieser Gleichungen wird ein selbst entwickeltes Finite Volumen Verfahren verwendet, das in der eigenen Software “BEST” (Battery and Electrochemistry Simulation Tool) implementiert wurde.

3D Simulation einer Li-Ion Batterie

Mit dem hier entwickelten mikroskopischen Transportmodell lässt sich die mikroskopische Struktur der Elektroden räumlich auflösen und der Ionentransport in Elektolyt und einzelnen Aktivpartikeln explizit berechnen.

Das sogenannte poröse Eletroden Modell erlaubt dagegen die Simulation einer kompletten Batteriezelle, da dort durch Volumenmittelung effektive Transportgleichungen verwendet werden. Diese Zugänge erlauben eine simulationsgestützte Optimierung von Materialzusammensetzung und Geometrie.

Die Untersuchung und Bewertung von Alterungseffekten ist eine weitere Herausforderung, die sich bei der Entwicklung neuer Lithium-Ionen-Akkus stellt – insbesondere für elektromobile Anwendungen. Hierfür entwickeln wir Alterungsmodelle, die den experimentellen Aufwand in diesem Bereich reduzieren sollen.