Thermo-Chemo-Mechanik und Bruchversagen von Elektrodepartikeln in Lithium-Ionen Batterien

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Marc-André Keip, seit 10/2016
• Fachliche Zuordnung: Mechanik ; Angewandte Mechanik, Statik und Dynamik
• Förderung: Förderung von 2015 bis 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 273719395

Lithium Ionen Batterien finden ihren Einsatz nicht nur in der Energiespeichertechnik portabler Endgeräte, sondern nehmen auch eine Schlüsselrolle im Ausbau der stetig an Bedeutung gewinnenden Elektromobilität ein. Die größte Herausforderung auf dem Weg zum flächendeckenden Einsatz der Batteriesysteme in (Hybrid-)Elektrokraftfahrzeugen stellt dabei ihre begrenzte Lebensdauer bei Verwendung hochgradig kapazitiver Elektrodenmaterialien dar. In den letzten Jahren haben sich neuartige Anoden- und Kathodenmaterialien als vielversprechender Ersatz für konventionelle Elektroden etabliert. Jedoch kann die theoretische Kapazität dieser Materialien bisher nicht annähernd ausgeschöpft werden, da Be- und Entladezyklen zu schneller Degradation und Rissbildung infolge komplexerthermo-elektro-mechanische Kopplungseffekte führen.Das computergestützte Design hochgradig leistungsfähiger Elektrodenpartikel in Lithium Ionen Batterien erfordert Entwurfsansätze, die in der Lage sind, Rissbildung als Hauptursache der Degradation infolge vonMehrfeld-Interaktionen vorherzusagen. Dieses Projekt setzt sich die Erforschung effizienter theoretischer und numerischer Grundlagen zur Beschreibung der komplexen Thermo-Chemo-Mechanik und Rissbildung in Elektrodenpartikeln zum Ziel. Dabei soll eine neue theoretische und numerische Modellbildung für Anoden- und Kathodenpartikel entwickelt werden. Basierend auf einer rigiden Durchdringung neuer Variationsprinzipe werden Mehrfeld-Interaktionen in Elektrodenmaterialien mit innovativen Phasenfeldbeschreibungen für Rissbildung kombiniert. Die zu entwickelnden kontinuums-physikalischen Modellstrukturen werden elektro-chemische Diffusion, Phasenseparation, Erwärmung sowie elastische und plastische Deformationen mit großen Verzerrungen erfassen und somit die Degradationseffekte durch Rissbildung beschreiben.Mit den im Projekt entwickelten Modellen soll ein verlässliches, simulationsgestütztes Design hochgradig leistungsfähiger Elektrodenpartikel in Lithium Ionen Batterien ermöglicht werden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Ehemaliger Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Christian Miehe, bis 9/2016 (†)