BEST – Batterie- und Elektrochemie-Simulationstool

Das Batterie- und Elektrochemie-Simulationstool (BEST) ist unsere Softwareumgebung für die physikbasierte, dreidimensionale Multiskalensimulation von Lithium-Ionen-Batterien.

Im Gegensatz zu phänomenologischen Ersatzmodellen bedeutet »physikbasiert«, dass wir den Ionen-, Ladungs- und Energietransport durch physikalische Gesetze beschreiben, die als partielle Differentialgleichungen formuliert sind, siehe Workflow

Mehr Informationen zum Simulationsmodell finden Sie in diesen Publikationen:

  • G. Less, J. H. Seo, S. S. Han, A. M. Sastry: Micro-Scale Modeling of Li-Ion Batteries: Parameterization and Validation, J. Electrochem. Soc. 159 (2012) A697-A704
  • A. Latz and J. Zausch: Thermodynamic consistent transport theory of Li-ion batteries, Journal of Power Sources 196 (2011) 3296–3302

Unsere Stärke ist es, diese Art der Modellierung mit speziell entwickelten, effizienten numerischen Lösungsverfahren zu kombinieren, die in unserem eigenen Softwareprodukt BEST in C++ implementiert sind.

Datenschutz und Datenverarbeitung

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Beispiel einer CC-CV-Ladesimulation an einer vollständig aufgelösten Mikrostruktur, durchgeführt in BEST. Die dreidimensionalen Lösungsfelder auf der linken Seite zeigen die zeitliche Entwicklung der Lithiumkonzentration innerhalb des Elektrolyten und des aktiven Elektrodenmaterials.

Mit BEST bieten wir ein Simulationstool zum:

  • Prognostizieren der Zellleistung
  • Virtuellen Zelldesign auf mikroskopischer Elektrodenebene (z.B. Optimierung des Bindemittelgehalts und der Bindemittelverteilung) und auf makroskopischer Zellebene (z.B. Zellformat oder Tab-Größe und Platzierung)
  • Optimieren von Ladestrategien
  • Analysieren begrenzender Faktoren, z. B. durch Ratentests oder elektrochemische Impedanzspektroskopie (EIS)
  • Untersuchen von Alterungs- und Degradationsphänomenen, z. B. Wachstum der Solid Electrolyte Interphase (SEI), mechanische Alterung, Lithium-Plating
  • und vieles mehr

Der Einsatz von BEST ist nicht auf die oben genannten Anwendungen beschränkt. Wir erweitern BEST kontinuierlich weiter und passen es an die individuellen Bedürfnisse der Unternehmen an.

Besondere Merkmale und Projekte

  • Anoden auf Siliziumbasis: Spannungshysterese, Elektrodenausdehnung und mechanische Degradation (Projekte DEFACTO und ALIB)
  • Vorhersage der Wärmeerzeugung (Projekt TopBat) und Analyse von Innenwiderständen
  • Elektrochemische Degradation (Projekte structur.e und MULTIBAT)
  • Elektrodenstrukturierung und elektrochemische Impedanzspektroskopie (Projekte ABBA-VEEB, structur.e, und Cell-Fi)
  • Kopplung mit virtueller Fahrzeugsimulation (Projekt MultiskalenBEV)

Kopplung mit anderen Software-Tools:

  • Zum Beschreiben des mechanischen Zellverhaltens und der ladungszustandsabhängigen Elektrodenausdehnung kombinieren wir die Stärken von BEST und unserem effizienten Strukturmechanik-Solver FeelMath.
  • BEST ist zudem im Modul BatteryDict der GeoDict Software unseres Spin-Offs Math2Market verfügbar. Dort ist es vollständig eingebettet in die GeoDict Funktionen zur Mikrostrukturgenerierung, zum Import von Mikro-Computertomographien und zur Strukturanalyse.
  • Durch das Bereitstellen einer Bibliotheksschnittstelle nutzen wir BEST in unserer virtuellen Fahrzeugsimulationsumgebung VMC.

Multiskalen-Simulationen: Von der Elektrode zur Zellebene

Neben den Materialparametern sind auch geometrische Parameter für das Verhalten einer Batteriezelle relevant. Dabei handelt es sich um ein Multiskalenproblem, da sowohl die Mikrostruktur der Elektroden (z. B. Partikelgrößen und -anordnung) als auch die makroskopischen Dimensionen (z. B. Schichtdicke oder Ausdehnung) einen Einfluss haben. Für beide Ebenen bietet BEST mit seinen BESTmicro- und BESTmeso-Modulen die beste Lösung. In beiden Fällen wird das Batterieverhalten vollständig dreidimensional berechnet, um die reale Geometrie so genau wie möglich nachbilden zu können.

Die primären Lösungsfelder der Simulation sind die Lithiumkonzentration und die elektrischen Potentiale. Diese dreidimensionalen Lösungsfelder werden regelmäßig im offenen vtk-Format gespeichert. Zusätzlich wird ein großer Satz abgeleiteter lokaler und globaler Variablen berechnet (z.B. Zellspannung, Lithium-Plating-Potential, lokale Stromdichte, usw.).

BEST ist für die Betriebssysteme Linux und Windows verfügbar.

BESTmicro, BEST meso
© Fraunhofer ITWM
BEST bietet zwei Haupt-Softwaremodule für die Zellskala: BESTmicro für detaillierte Mikrostruktursimulationen und BESTmeso für effiziente Simulationen der effektiven Zelleigenschaften.

Workflow

Visualisierung des Arbeitsablaufs für die Durchführung von Simulationen in BEST.
© Fraunhofer ITWM
Visualisierung des Arbeitsablaufs für die Durchführung von Simulationen in BEST.

BEST erfordert die folgenden Eingangsdaten:

  • ein Rechengebiet (z.B. Batteriezelle, bestehend aus Anode, Kathode, Separator, evtl. leitfähigen Zusätzen und Stromabnehmern).
  • eine Reihe von Materialparametern für die jeweiligen Materialien (z. B. Lithium-Diffusionskonstante im aktiven Elektrodenmaterial, Ionenleitfähigkeit im Elektrolyten usw.). Bei diesen Parametern kann es sich um einfache Konstanten handeln oder sie können von der Konzentration oder der Temperatur abhängen.
  • ein Betriebsprotokoll, z. B. ein konstanter oder zeitabhängiger Strom, eine Zellspannung oder ein Leistungsprofil. Auch komplexere Betriebsprotokolle sind möglich, z. B. ein durch das Anodenpotenzial gesteuerter Strom.

Beispielprojekte

 

Simulation der Produktion von Batterien

Wir simulieren Produktionsprozesse von Batterien, um sie möglichst effizient zu gestalten ohne die Produkteigenschaften negativ zu beeinflussen.

 

Elektrochemische Impedanzspektroskopie (EIS)

EIS ist ein weit verbreitetes, zerstörungsfreies Verfahren zum Charakterisieren von Li-Ionen-Batterien. Wir simulieren sie mit unserer Software BEST.

 

Simulation von Zellalterung und -degradation

Li-Ionen-Batterien sind häufig einer Vielzahl von Degradationsprozessen ausgesetzt, die zur Alterung der Zellen führen.

 

 

BMWK-Projekt »structur.e«

Ziel des Projektes »structur.e« ist, eine kürzere Ladezeit und eine größere Reichweite für die Elektromobilität zu ermöglichen.

 

Batteriesimulation BEST unterstützt virtuelle Entwicklung und Erprobung von Batteriezellen

EFRE-Projekt ABBA-VEEB (Ausbau der Batteriesimulation BEST zu einer Auslegungsplattform für die virtuelle Entwicklung und Erprobung von Batteriezellen)

 

Neue Methoden bei Entwicklung und Produktion von Batteriezellen

Das Projekt DEFACTO zielt darauf ab, die Zellproduktion für Elektrofahrzeuge in Europa zu revolutionieren.

 

Batteriezellen mit integrierter Sensorik

Konzeptentwicklung und -prüfung von Zellen, die individuell mit Potential- und Temperatursensoren mit Unterstützung von BEST ausgestattet sind.

 

Volumenänderung und Phasenseparation in Elektrodenmaterialien

Im AiF-Projekt ALIB wurden die bestehenden elektrochemischen Simulationsmodelle von BEST erweitert.

 

Vorhersage der Lebensdauer von Lithium-Ionen-Batterien

Das MULTIBAT-Projekt konzentriert sich auf die Vorhersage der Batterielebensdauer.

 

Simulationsgestütztes Design von Brennstoffzellen

Ziel des Forschungsverbunds OPTIGAA ist es, das rechnergestützte Design von Brennstoffzellen zu ermöglichen.

 

XERIC: Klima-Kontrollsystem für Elektrofahrzeuge

Das Projekt XERIC entwickelt ein neues Klima-Kontrollsystem, das in batteriebetriebenen Elektrofahrzeugen energieeffizienter arbeitet.