Mehrziel-Topologieoptimierung von Silizium-Anoden in Lithium-Akkumulatoren

• Antragstellerin: Professorin Dr.-Ing. Kerstin Weinberg
• Fachliche Zuordnung: Mechanik
• Förderung: Förderung von 2018 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 383779906

Mit zunehmender Nachfrage nach elektrischen Antrieben und mobilen Endgeräten steigt der Entwicklungsbedarf für leistungsstarke Energiespeichersysteme. Dabei haben sich lithiumbasierte Akkumulatoren (Lithium-Batterien) als besonders vielversprechend herausgestellt. Um in folgenden Generationen auch Silizium als Anodenmaterial nutzen zu können, müssen die entsprechenden Anoden eine Struktur haben, die in der Lage ist, die sehr großen Volumenänderungen, die bei der Einlagerung von Lithium entstehen,auszuhalten. Darüberhinaus muss die Struktur eine hohe elektrische Leitfähigkeit garantieren sowie die notwendige Lebensdauer von vielen Ladezyklen aufweisen. Dies alles erfordert ein optimiertes Anodendesign. Bislang wurden jedoch noch kein Gestalt- oder Topologieoptimierungverfahren für solche Probleme entwickelt und verwendet.Ziel des vorgeschlagenen Forschungsprojektes ist daher die Entwicklung eines Optimierungswerkzeuges für Siliziumanoden in Lithium-Batterien. Um zu gewährleisten, dass die Anode in der Lage ist, die starken Volumenschwankungen während des Ladeprozesses auszuhalten müssen zunächst konventionelle Topologieoptimierungsalgorithmen auf eine finite Kinematik ausgeweitet werden. Weiterhin muss das Anodendesign maximale elektrische Leitfähigkeit garantieren - ein Anspruch, der der mechanischen Stabilität diametral entgegensteht. Weitere Optimierungsziele sind die Maximierung der Lebenserwartung der Anode und die Minimierung der auftretenden Schädigung. Im Rahmen dieses Forschungsprojektes wollen wir deshalb eine Mehrziel-Optimierungsmethode erarbeiten, das deutlich über die derzeit vorhandenen Verfahren hinausreicht und die Berücksichtigung solch konkurrierender Optimierungsziele ermöglicht.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Kooperationspartner: Professor Michael Ortiz, Ph.D.