Multiskalenmodellierung und numerische Simulation von Lithium-Ionen-Batterieelektroden auf Basis realer Mikrostrukturen

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Professor Dr. Thomas Carraro; Professorin Dr.-Ing. Ellen Ivers-Tiffée
• Fachliche Zuordnung: Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien ; Mathematik
• Förderung: Förderung von 2014 bis 2019
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 252382019

Die langfristige Zielsetzung des Projekts ist die Entwicklung einer interdisziplinären Methode zur modellgestützten Optimierung poröser Elektroden. Dazu betrachten wir Elektroden der Lithium-Ionen-Batterie (LIB), die von steigendem Interesse für den Ausbau erneuerbarer Energien sind. Moderne Lithium-Ionen-Zellen bestehen aus zwei porösen Elektroden (Anode und Kathode), mit den Aufgaben, das Lithium in ihrer Kristallstruktur zu speichern und es bei Bedarf an den Elektrolyten abzugeben. Der flüssige Elektrolyt füllt die Porosität und dient als ionische Verbindung zwischen den Elektroden. Die elektronische Verbindung erfolgt über die Elektroden, die mit den Polen verbundenen Stromableiter und einem äußeren Stromkreis. Die Kombination von präzisen 3D-Rekonstruktionen und detaillierter Modellierung der Elektroden erlaubt es, die limitierenden Prozesse zu identifizieren und die Mikrostruktur entsprechend zu optimieren.Eine wichtige Voraussetzung um dieses Ziel erreichen zu können ist die quantitative Charakterisierung der Mikrostruktur, sowie die Bestimmung ihres Einflusses auf die elektrochemischen Prozesse. Die verlässliche Quantifizierung der Strukturen bildet die Grundlage für numerische Modelle, die zur Elektrodenoptimierung verwendet werden können. Dabei sind vor allem die folgenden Prozesse und Parameter essentiell: (a1) elektrochemische Reaktionen (Oxidation und Reduktion) und (a2) Volumenanteile sowie das Oberflächen-Volumen Verhältnis; (b1) perkolierende Transportpfade für Ionen und Elektronen sowie (b2) effektive Transportparameter (Tortuosität); (c1) Speicherung des Lithiums im Aktivmaterial und (c2) Verteilung und Partikelgröße des Aktivmaterials.Die Limitierung bestehender Methoden betrifft alle diese Aspekte, da die verwendeten vereinfachten Modelle weder die benötigte Auflösung aller Materialphasen bieten, noch die numerischen Methoden für die benötigte Genauigkeit auf allen Größenordnungen. Im Speziellen werden präzise Methoden benötigt um: (a3) die reale Form der aktiven Oberfläche zu berücksichtigen, (b3) die Entscheidung zu fällen, ob effektive Parameter benutzt werden können und mit welcher Genauigkeit diese bestimmt werden müssen, (c3) um die notwendige Präzision auf mikroskopischer Ebene zu erreichen.In diesem Projekt werden wir ein transientes Multiskalenmodell für LIB Elektroden aufstellen, implementieren und verifizieren. Dieses wird auf einer Methode zur partiellen Modellreduzierung aufbauen, das die Kombination der Expertisen des Instituts für Werkstoffe der Elektrotechnik (IWE) und des Instituts für Angewandte Mathematik (IAM) erfordert. Das IWE wird sich auf verlässliche Methoden zur Rekonstruktion der Elektroden sowie der Modellierung und der Quantifizierung der Mikrostruktur konzentrieren. Das IAM wird mit den mathematischen Methoden für die Modellreduzierung, der numerischen Lösung mittels Techniken des Höchstleistungsrechnens, sowie neuen Ansätzen zur Fehlerabschätzung beschäftigen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen