Charakterisierung von Fabrikation-Mikrostruktur-Eigenschafts-Beziehungen für polymerbasierte Batteriematerialien durch die Kombination von tomographischer 3D-Bildgebung mit Modellierung und Simulation

• Antragsteller: Professor Dr. Thomas Carraro; Dr. Ingo Manke; Professor Dr. Volker Schmidt
• Fachliche Zuordnung: Polymermaterialien ; Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien ; Mathematik
• Förderung: Förderung seit 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 441292784

Die 3D-Morphologie von Batterieelektroden ist von entscheidender Bedeutung für deren Leistung und Degradationsverhalten. Die Gewährleistung der gleichzeitigen ionischen und elektrischen Leitfähigkeit in der gesamten Elektrode erfordert eine stabile hierarchische 3D-Struktur auf der Mikro- und Nanometerskala. Daher ist ein detailliertes Verständnis der Morphologie und ihrer Auswirkungen auf die funktionellen Eigenschaften von Elektroden unerlässlich, um die elektrochemische Leistung von Batterien auf Polymerbasis zu verbessern. Dieses Projekt zielt darauf ab zu verstehen, wie man Batterieelektroden auf Polymerbasis mit einer optimierten 3D-Morphologie entwickeln kann, die zu einer verbesserten elektrochemischen Leistung einschließlich Degradationsstabilität führt. Aufbauend auf den Ergebnissen der ersten Förderperiode wird eine Vielzahl von Materialien, die von verschiedenen Partnern innerhalb des SPP 2248 zur Verfügung gestellt werden, mittels fokussierter Ionenstrahltomographie FIB, Synchrotron-basierter Mikrotomographie und nun zusätzlich zur ersten Förderperiode auch mit Nano-Tomographie vermessen. Besonderes Augenmerk wird nun auf operando-Messungen gelegt, um den Vorgang der Elektrolytbefüllung und Degradationserschei-nungen durch zyklische Alterung besser zu verstehen. Die 3D- und 4D-Bilddaten des HZB werden dann statistisch von UU analysiert, um morphologische Veränderungen zu quantifizieren. Darüber hinaus werden die segmentierten Bilddaten als Grundlage für die Entwicklung von parametrischen stochastischen Strukturmodellen mithilfe von Methoden der stochastischen Geometrie verwendet. Dies ermöglicht die Erzeugung von digitalen Zwillingen, d. h., die Simulation von Strukturen, die statistisch äquivalent zu den Morphologien der gemessenen Elektroden sind. Durch eine systematische Variation der Modellparameter wird ein breites Spektrum von virtuellen, jedoch realistischen Elektrodenstrukturen generiert, die bisher noch nicht hergestellt wurden. Dies legt den Grundstein für umfangreiche virtuelle Szenarien-Analysen, das sogenannte virtuelle Materialtesten. Von der HSU werden sowohl tomographisch gemessene als auch simulierte Elektrodenstrukturen als Input für ortsaufgelöste, physik-basierte Simulationen elektrochemischer Eigenschaften verwendet. Durch die Kombination der Kenntnis der Herstellungsparameter mit der resultierenden 3D Morphologie und der entsprechenden elektrochemischen Performanz werden quantitative Fabrikation-Mikrostruktur-Eigenschaftsbeziehungen hergeleitet. Auf diese Weise ermöglichen die Methoden der 3D- und 4D-Bildgebung in Kombination mit einem datengetriebenen Modellierungs- und Simulations-Workflow die Generierung von Strukturierungsempfehlungen, die das Design von polymerbasierten Batterieelektroden mit einer optimierten elektrochemischen Performanz unterstützen.

• DFG-Verfahren: Schwerpunktprogramme
• Teilprojekt zu: SPP 2248: Polymer-basierte Batterien