Elektrochemische und mechanische Modellierung und Simulation von Lithium-Ionen-Batterien

Der verstärkte Ausbau der Elektromobilität erfordert eine Verbesserung der Kernkomponente eines Elektrofahrzeugs: der Lithium-Ionen Batterie als Energiespeicher. Aufgrund ihrer hohen Kosten muss ihre Lebensdauer deutlich erhöht werden. Das Verständnis der limitierenden Degradationsmechanismen ist daher für die Industrie unbedingt notwendig. Ein wesentlicher Degradationseffekt resultiert aus der Volumenänderung einiger Anodenmaterialien während der Interkalation von Lithium-Ionen: So ändert z. B. Silizium, das durch seine hohe gravimetrische Kapazität als sehr vielversprechendes neues Anodenmaterial gilt, sein Volumen um 300 Prozent. Die entstehenden mechanischen Spannungen können zu Rissen innerhalb der Elektrode und so zum Kapazitätsverlust führen. Um diese Einflüsse besser bewerten zu können, arbeiteten im AiF-Projekt ALIB (Ausdehnung von Li-Ionen-Batteriezellen) das Institut für Technische Thermodynamik am Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) Stuttgart und das Fraunhofer-Institut für Techno- und Wirtschaftsmathematik (ITWM) in Kaiserslautern zusammen, um durch physikalische Modellierung und numerische Umsetzung Werkzeuge zu entwickeln, die eine gekoppelte Simulation der elektrochemischen und mechanischen Prozesse erlauben. Ergänzt wurden diese Arbeiten durch Experimente, die ebenfalls am DLR durchgeführt wurden. Die Modellierungs- und Simulationsansätze unterschieden hier zwei verschiedene Längenskalen: Die Mikroskala, bei der ein Ensemble von nur einigen Mikrometer großen Elektrodenaktivpartikeln beschrieben wird, sowie die Zellskala, wo das Mikromodell durch geeignete Mittelungen und Zusatzannahmen zu einer makroskopischen Beschreibung hochskaliert werden kann.

Die theoretischen Arbeiten wurden durch experimentelle Messungen ergänzt, die zum einen der Methodenentwicklung und zum anderen der Modellparametrisierung dienten. Hierzu wurde am DLR eine in situ Zelle entwickelt, die durch Röntgenbeugung die Verzerrungen des Atomgitters der Elektrodenmaterialien während des Betriebs der Zelle ermöglicht und so in der Lage ist, die ladezustandsabhängige Verformung zu quantifizieren. Die entwickelten Modelle und ermittelten Ausdehnungsparameter wurden numerisch umgesetzt und stehen nun in der Fraunhofer-Simulationssoftware BEST (Battery and Electrochemistry Simulation Tool) dem Anwender für gekoppelte elektrochemisch-mechanische Simulationen sowohl auf der Mikro- wie auch auf der Zellskala zur Verfügung.

Das IGF-Vorhaben IGF-Nr. 177966 N der Forschungsvereinigung Antriebstechnik e.V. (FVA) wurde über die AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der Industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert.