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Projekt
MEPP basierte Modellierung und Simulation von Phasentransformationen und Phasenentwicklungen im LAS System unter Berücksichtigung verschiedener kinetischer Phänomene bei der Erstarrung
Antragsteller
Professor Dr. Michael Fischlschweiger
Fachliche Zuordnung
Technische Thermodynamik
Förderung
Förderung seit 2021
Projektkennung
Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 470323858
Die maßgeschneiderte Erstarrung von Lithium-Ionen-Batterie (LIB)-Schlacken ist von besonderem Interesse im Rahmen der Engineered Artificial Minerals (EnAM). Das Li-Al-Si-O (LAS)-System ist ein wichtiges Subsystem von LIB-Schlacken. Ein grundlegendes Verständnis des Einflusses verschiedener kinetischer Phänomene auf die zeitabhängige Phasentransformation und die morphologische Phasenbildung ist erforderlich, um maßgeschneiderte LAS-Schlackendesigns durch gezielte Anpassung der anfänglichen Schlackenzusammensetzung im flüssigen Zustand und durch Steuerung der Abkühlrate zu entwickeln, so dass sich während der Erstarrung höher konzentrierte Li-Kristallphasen entwickeln. Wichtige innere kinetische Phänomene sind die Bewegung der Fest-Flüssig-Grenzflächen sowie die Diffusion von Komponenten und Wärme in den Phasen. Das Verständnis der Wechselwirkung zwischen diesen inneren kinetischen Phänomenen, der externen Abkühlraten und speziellen Zusammensetzungen ermöglicht die Entwicklung von Schlackenzusammensetzungen und Abkühlprozessen, die eine maßgeschneiderte Kristallisation erlauben, bei der feste Phasen mit hoher Li-Anreicherung gebildet werden. Derzeit existiert kein thermodynamisches Modell, das in der Lage ist, die in diesem System auftretenden kinetischen Phänomene ganzheitlich zu erfassen, so dass eine zeitabhängige mehrdimensionale Phasenbildung qualitativ und quantitativ auf der Grundlage bestimmter Abkühlraten vorhergesagt werden kann. Ziel ist die Entwicklung eines mehrdimensionalen thermodynamischen Nichtgleichgewichtsmodells auf der Basis des „Maximum Entropy Production Principle“ (MEPP) unter Berücksichtigung heterogener Temperaturfelder zur Vorhersage der zeitabhängigen Phasentransformation und der Entwicklung der Phasenmorphologie im LAS-System während der Erstarrung. Die kinetischen Entwicklungsgleichungen sowie das Phasenselektionskriterium für die mehrdimensionalen Wachstumsprozesse der jeweiligen Phasen werden im Rahmen von MEPP systematisch entwickelt. Die kinetischen Koeffizienten des entwickelten mehrdimensionalen thermodynamischen Nichtgleichgewichtsmodells werden durch inverse Parameterbestimmung auf der Grundlage von Erstarrungsexperimenten bestimmt. Mit dem experimentell validierten Modell werden Berechnungen durchgeführt, um eine optimale anfängliche Schlackenzusammensetzung im flüssigen Zustand und einen maßgeschneiderten zeitabhängigen Erstarrungspfad für LAS zu entwickeln, um spezifische Morphologien von hoch Li-haltigen kristallinen Phasen zu erreichen. Um zu zeigen, dass der neue Ansatz effektiv auf andere SPP-relevante Schlackensysteme übertragbar ist, wird er abschließend in Kooperation mit SPP-Partnern auf die Kristallisation von LiMnO2-Polymorphen aus Li-Si-Mn-O-Schmelzen angewendet. Damit erfolgt ein abschließender Hypothesentest dieses neuen Ansatzes.
DFG-Verfahren
Schwerpunktprogramme
