Numerische Untersuchungen zum Einfluss der Elektrodenmikrostruktur auf die Leistungsfähigkeit von Lithium-Ionen-Batterien.

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Hermann Nirschl
• Fachliche Zuordnung: Mechanische Verfahrenstechnik
• Förderung: Förderung von 2012 bis 2016
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 223609496

Lithium-Ionen-Batterien sind im Fokus der aktuellen Forschung und spielen eine wichtige Rolle als zukünftige Energiespeicher mit potentiellen Anwendungen in der Elektromobilität sowie als Zwischenspeicher für regenerative Energien. Sie bestehen im Wesentlichen aus zwei porösen Interkalationselektroden, welche durch einen Separator getrennt sind. Die beiden Elektroden sind dabei aus Metalloxid- bzw. Carbon-Partikeln, den sogenannten aktiven Partikeln, aufgebaut, und weisen aufgrund dieser partikulären Zusammensetzung eine sehr komplexe Mikrostruktur auf, welche durch die Partikelform und durch die Größenverteilung der Partikel bestimmt wird. Die Leistungsfähigkeit moderner Lithium-Ionen-Batterien hängt somit nicht nur von den verwendeten Materialien, sondern auch von der Elektrodenmikrostruktur ab. Der Einfluss der Mikrostruktur auf die Leistungsfähigkeit von Lithium-Ionen-Batterien ist in der aktuellen Literatur jedoch nur unzureichend verstanden. Direkte Numerische Simulationen sind an dieser Stelle ein wichtiges Werkzeug um einen Beitrag zur Auslegung, Optimierung sowie zur Untersuchung schwer zu messender Effekte zu liefern. Für die mathematische Modellierung muss dabei sowohl die Ionenbewegung im Elektrolyten, als auch die Diffusion von Lithium-Atomen innerhalb der aktiven Partikel betrachtet werden. Dabei spielt insbesondere die Interkalation von Lithiumionen in die aktiven Partikel eine wichtige Rolle, da diese innerhalb der aktiven Partikel mechanische Spannungen erzeugen. Diese sogenannten Interkalationsspannungen können schließlich zum Riss von aktiven Partikeln und somit zu einer Verringerung der Leistungsfähigkeit von Lithium-Ionen-Batterien führen. Ziel dieses Antrags ist daher die Untersuchung des Einflusses der Mikrostruktur, und dabei insbesondere der Interkalationsspannungen, auf die Leistungsfähigkeit von Lithium-Ionen-Batterien. Hierzu wird in einem ersten Schritt die Interkalation an einem Einzelpartikel untersucht. Es sollen beliebige Partikelgeometrien betrachtet werden, so dass Krümmungseffekte mit berücksichtigt werden können. Weiterhin ist zu untersuchen, wie sich eine ausbildende Phasentrennung, wie sie beispielsweise bei LiCoO2 auftritt, bei unterschiedlichen Partikelgeometrien verhält. Ausgehend von diesen Einzelpartikelrechnungen lassen sich die entwickelten Methoden auf dreidimensionale Mikrostruktursimulationen anwenden, bei denen die Lithium-Ionen-Batterie mithilfe einer periodischen Einheitszelle modelliert wird. Mit diesen Simulationen ist es möglich, den Einfluss der Mikrostruktur und insbesondere den Einfluss der Partikelgrößenverteilung zu untersuchen. Die numerischen Ergebnisse sollen zusätzlich mithilfe von Experimenten validiert werden. Hierfür werden Labor-Pouchzellen hergestellt, elektrochemisch charakterisiert und mit den Simulationen verglichen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Beteiligte Person: Professor Dr. Willy Dörfler