Virtuelles Design strukturierter Batterieelektroden

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Ulrich Nieken
• Fachliche Zuordnung: Chemische und Thermische Verfahrenstechnik
• Förderung: Förderung seit 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 507026050

Zur Leistungssteigerung von Li-Ionen Batterien wurde am Max-Planck-Institut für intelligente Systeme (AK Spatz) ein metallisches Netzwerk sehr dünner Fasern hergestellt. Diese wurden erfolgreich in die Aktivmaterialschichten von Zellen eingebracht. Erste Messungen an Prototyp-Zellen mit einem metallischen, faserartigen 3D Netzwerk konnten zeigen, dass die Leistung der Elektroden deutlich verbessert werden konnte. Die Kapazität der Elektrode mit Fasermaterial wurde im Vergleich mit einer Referenzelektrode ohne Fasern mit der gleichen Aktivmaterialbeladung um 25 % (im 50. Lade-/Entladezyklus) verbessert. Zur Simulation der Batteriezellen wurde ein Mikro-Modell entwickelt. Die dafür erforderliche ortsaufgelöste Geometrie der porösen Elektrodenstruktur und der eingebetteten Fasern kann vermessen oder virtuell erzeugt werden. Aufgrund der hohen Rechenzeiten eignet sich das Mikro-Modell nicht für ein virtuelles Zelldesign und für umfangreiche Parameterstudien. Aus diesem Grund ist es erstrebenswert ein dimensionsreduziertes Modell herzuleiten, das bei deutlich geringeren Rechenzeiten den Einfluss der Mikrostruktur auf den Prozess berücksichtigt. Im AK Nieken liegen Erfahrungen mit der Methode der asymptotischen Homogenisierung (AH) vor. Die Methode erlaubt es, effektive Raten von Transportprozessen aus einem detaillierten Geometrie-Modell abzuleiten. Folglich kann ein makroskopisches Prozessmodell für strukturierte poröse Materialien erstellt werden, welches die Mikrostruktur in einer effektiven Weise berücksichtigt. Die Herausforderung für das makroskopische Prozessmodell besteht darin, den Gültigkeitsbereich auf einen Betrieb mit hohen C-Raten zu erweitern. Bei hohen C-Raten bilden sich auf der mikroskopischen Skala große Konzentrationsgradienten, so dass keine (hinreichende) Skalenseparation mehr möglich ist. Diese Problematik ist ein bekanntes Problem bei der Anwendung der AH. Erste Lösungsansätze werden im Antrag formuliert. Auf Basis dieser Ansätze sollte es möglich sein, das elektrochemische Verhalten der vom AK Spatz entwickelten Batterien bei technisch relevante C-Raten in guter Näherung vorherzusagen. Ziel des Projekts ist die Erstellung eines effektiven, makroskopischen Prozessmodells, welches in Zukunft die Durchführung von Parameterstudien sowie eines Strukturdesigns ermöglicht. Dazu sollen im Rahmen des Projekts die bestehenden Prozessmodelle um den Einfluss des Metallfasernetzwerks erweitert und methodische Verbesserungen bei großen lokalen Gradienten erarbeitet werden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Mitverantwortlich: Professor Dr. Joachim P. Spatz