Im Rahmen des DLR-Projekts ParticlES werden spezielle Methoden zur Optimierung von Batteriekomponenten entwickelt und angewandt. Im Fokus der Untersuchungen stehen dabei mikrometer-große Aktivmaterialpartikel, die ein Grundbaustein bei der Elektrodenherstellung sind und deren Eigenschaften maßgeblich für die Kapazität und Leistungsfähigkeit von Batteriezellen sind. Die Prozesse im inneren dieser Partikel haben dabei direkten Einfluss auf die Materialeigenschaften und sind durch konventionelle Charakterisierungsmethoden nur schwer zugänglich. Für die Untersuchungen wird in einem innovativen Ansatz die innerhalb des DLR vorhandene Expertise in der experimentellen Batterieforschung (Abteilung Elektrochemische Energietechnik) sowie in der Batterie-Modellierung und -Simulation (Abteilung Computergestützte Elektrochemie) gebündelt. Durch die Optimierung von elektrochemischen Einzelpartikelmessungen können Batteriematerialien präzise charakterisiert werden. Diese Information kann in Simulationen mit angepassten Transportmodellen genutzt werden. Durch die Methodik werden sowohl relevante Prozesse in den Materialien zugänglich gemacht, als auch die Vorhersagekraft der Modelle gesteigert. Die Kombination der Methoden ermöglicht die Optimierung aktueller und künftiger Materialien für Li-Ionen Batterien und perspektivisch ein auf die spezifische Anwendung abgestimmtes Design der Aktivmaterialpartikel.
Modellierung und Simulation auf
Partikelebene zur Optimierung der Materialeigenschaften
Derzeit wird für die Entwicklung von Aktivmaterialien ein hoher experimenteller Aufwand betrieben. Durch die Digitalisierung der Materialforschung kann der Entwicklungsprozess erheblich beschleunigt werden. Simulationen auf der Mikrostruktur einzelner Partikel erlauben dabei einen tiefen Einblick in die betriebsweise der Batterie und einzelner limitierender Prozesse. Die Modelle werden auf Basis der Einzelpartikelmessungen parametriert und damit gleichzeitig relevante Materialeigenschaften extrahiert. Dies umfasst neben kinetischen Daten auch den Einfluss von Transportprozessen über Korngrenzen oder Elektrolytpfade entlang der Korngrenzen. Die Modelle erlauben in Kombination mit Strukturgeneratoren die virtuelle Optimierung der Materialien, angepasst an die Herausforderungen spezifischer Anwendungen.
Grundlage zur Optimierung des Elektroden-
und Zelldesigns
Durch die Verbindung von Experimenten und Simulationen auf Partikel- und Elektrodenebene eröffnen sich neue Möglichkeiten zur effizienten virtuellen Optimierung vom Material bis zur Zelle. Auf dieser Basis die jeweilige Zellchemie optimal zu nutzen und an spezifische Anwendungen anzupassen. Durch das virtuelle Zelldesign, gestützt durch spezifische Modellexperimente, wollen wir Entwicklungszeit und Entwicklungskosten signifikant reduzieren.
Mikrostruktur eines polykristallinen Partikels und Einblick in die resultierende Konzentrationsverteilung der Lithium-Ionen während der Lithiierung des Partikels. Rote Bereiche zeigen eine hohe Konzentration an.
Die Arbeiten im Projekt bilden die Vorarbeiten zur Charakterisierung und Simulation einzelner Aktivmaterialpartikel für Li-Ionen Batterien und neue Zellchemien, beispielsweise Natrium-Ionen Batterien. Auf Basis der präzisen Messungen werden Modelle auf Partikelebene parametriert und damit die Grundlage für eine effiziente Materialentwicklung gelegt.
ParticlES auf einen Blick
Projekt
ParticlES - Einzelpartikeluntersuchungen mittels experimenteller Methoden und Simulation
Laufzeit
1.1.2022 - 31.12.2024
Projektbeteiligte
Institut für Technische Thermodynamik
Förderung
Grundfinanzierung des DLR
Kontakt
Prof. Dr. rer.nat. K. Andreas Friedrich
Abteilungsleiter Elektrochemische Energietechnik
Institut für Technische Thermodynamik
Elektrochemische Energietechnik
Pfaffenwaldring 38-40, 70569 Stuttgart
Prof. Dr. Arnulf Latz
Abteilungsleiter Computergestützte Elektrochemie
Helmholtz Institut Ulm (HIU) - Institut für Technische Thermodynamik
