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Simulationsmethode zur effizienten Leistungs- und Energieoptimierung mikroporöser Batteriematerialien

Ausgangssituation

Die Elektrifizierung der Mobilität weist ein starkes Potential zur Reduktion des Kraftstoffver­brauches und des CO2-Ausstoßes auf. Diesem Anreiz stehen allerdings, vor allem hinsichtlich Energie und Leistung sowie der Lebensdauer, nach wie vor unzureichend entwickelte Batteriesysteme gegenüber. Nach heutigem Wissensstand hat das Verhältnis der Mikro- und Makroporen eines Elektrodenmaterials massiven Einfluss auf diese drei Zelleigenschaften, vor allem auf das Verhältnis Leistung zu Energie. Jedoch ist die Herstellung unterschiedlicher Materialien für vollständige Screenings durch die Dauer und die notwendigen Anpassungen der Synthesemethoden sehr kosten- und zeitintensiv.

Im Projekt SimPore wurde ein Computermodell entwickelt, welches rasch und kosteneffizient ein Screening erlaubt. Die Idee dabei war, „Double-Porosity“-Modelle dafür heranzuziehen, wie man sie u.a. in der Geologie zur Berechnung von Verunreinigungen im Grundwasser verwendet. Die Modelle wurden mathematisch an die Gegebenheiten in Energiespeichern übertragen und in ein bestehendes Multiskalen-Framework implementiert.

Zur Parametrierung als auch zur Validierung dieses neuen Ansatzes wurden Kathodenmaterialien zur Anwendung in Li-ionen Akkus synthetisiert und vermessen. Grundsätzlich wäre dafür jede Technologie mit mikroporösen Elektroden nutzbar, jedoch bot sich die Lithiumionentechnologie durch ihre systemtypischen Hostmaterialien als auch ihr Optimierungspotential an. Dabei war die durch das Projekt erreichte Optimierung dieser Technologie ursprünglich selbst nicht Ziel des Projektes.

Es wurde das Kathodenmaterial NMC (Lithium-Nickelmangankobaltoxid) in einer kleinen Zahl unterschiedlicher Geometrien synthetisiert und charakterisiert, wobei ein großer Aufwand zur Adaptierung der Synthesemethoden und der genauen analytischen Charakterisierung gelegt wurde. Dies war nötig, da die erforderliche Varietät eines einzigen Materials in unterschiedlicher Mikrogeometrie nicht kommerziell verfügbar ist.

Projektverlauf

1. Verifizierung einer neuen Methode zur Optimierung mikroporöser Elektrodenmaterialien

Aufbau des Double-Porosity Modells und die Beschreibung von Batteriezellen durch diesen Ansatz. Hierbei sollte ein Modell geschaffen werden, das den Einfluss der verschiedenen Porengrößen auf eine Art beschreibt, wie sie in der State-of-the-Art-Literatur bis jetzt noch nicht existierte.

2. Erweiterung des Spektrums möglicher Synthesewege für Kathodenmaterialien

Synthese von insgesamt vier verschiedenen NMC Materialien. Die Variationen der Materialien beziehen sich auf die eingesetzten Ausgangsstoffe (Präkursoren), Syntheseweg als auch mechanische Nachbehandlung.

3. Computertool zur Berechnung von Eigenschaften mikroporöser Elektroden

Das aufgesetzte Modell wurde zur numerischen Simulation in einem High-Performance-Computing (HPC) tauglichen Code implementiert. Dieser Code ist einerseits auf Performance (bzgl. Rechenzeit) aber andererseits auch auf Flexibilität (um die Modellkomplexität abbilden zu können) ausgelegt.

Ergebnisse

Der Modellansatz des Projekts konnte erfolgreich validiert werden. Dies bildet eine sehr gute Grundlage für den weiteren Ausbau des erstellten Modells in zukünftigen Projekten. Momentan bildet das Modell die zur Funktion notwendigen physikalischen Effekte ab. Dies ermöglicht es Batterieherstellern eine computerunterstütze Designentscheidungen im Bezug auf die Performance ihrer Zellen zu treffen.

Eine weitere große Herausforderung in der Batterieherstellung ist die Abschätzung und Minimierung der Alterung der einzelnen Zellen. Diese entsteht durch verschiedenste Neben- und Schadreaktionen. Solche Reaktionen können in Zukunft in das Modell eingebaut werden um so in einem vorher nicht möglichen Detailgrad die Alterung von Batteriezellen zu beschreiben.

Weiters kann das Modell um mechanische Aspekte erweitert werden, welche die Ausdehnung der Elektrodenpartikel beschreiben. Dies wird zum Beispiel in den zukunftsträchtigen Silizium-Anoden sehr wichtig werden da diese sich um mehrere 100% ausdehnen können.

Für das AIT Austrian Institute of Technology GmbH zeigte sich vor allem wie sich die unterschiedlichen Präkursoren als auch Synthesebedingungen auf die Mikrogeometrie der Elektroden auswirken können. Durch gezielte Änderungen der einzelnen Faktoren konnte zu Projektende ein verbessertes Kathodenmaterial synthetisiert werden, welches sogar die spezifische Kapazität des Referenzmaterials übertraf.

Zusätzlich konnten durch die Parametrierung des Simulationsmodell weitere wichtige Methoden zur Analyse und Evaluierung von Kathodenmaterialien vertieft und deren theoretischer Hintergrund intensiver betrachtet werden. Der rege Austausch mit dem Projektpartner hat wesentlich zu dieser Entwicklung beigetragen.

Diese und weitere Aspekte werden in den Zell- und Batterieherstellern wichtige Tools und Methoden zur Verbesserung ihrer Produkte liefern. Somit tragen die erzielten Ergebnisse zur Erfüllung der langfristigen gesellschaftlichen Ziele im Bereich der Elektromobilität bei.

 

 

Steckbrief

Projektnummer
848773
Koordinator
Kompetenzzentrum - Das virtuelle Fahrzeug, Forschungsgesellschaft mbH
Projektleitung
Martin Cifrain, martin.cifrain@v2c2.at
Förderprogramm
Energieforschung (e!MISSION)
Dauer
03.2015 - 02.2017
Budget
466.261 €