Lithium-Ionen Batterien basieren auf der reversiblen Einlagerung von Lithium-Ionen in das Aktivmaterial der positiven und negativen Elektrode. Diese beiden porösen Elektroden bestehen neben dem Aktivmaterial aus weiteren Passivmaterialien, die für die mechanische Stabilität und ein elektrisches Leitnetzwerk sorgen. Aktuell werden an der positiven Elektrode (Kathode) zumeist Nickel-Mangan-Cobalt-Oxide (NMC) verwendet, welche abhängig von der Zusammensetzung hohe Energiedichten ermöglichen. An der negativen Elektrode (Anode) wird in vielen Anwendungsfällen Graphit eingesetzt. Allerdings wird intensiv an alternativen Anodenmaterialien geforscht, insbesondere an Siliziumelektroden und Elektroden aus reinem Lithium-Metall. Kathode und Anode werden von einem Separator getrennt, der einen elektrischen Kurzschluss verhindert. Das nachfolgende Video gibt einen kurzen Einblick über den Aufbau einer Lithium-Ionen Batterie, sowie unsere aktuellen Forschungs- und Anwendungsthemen.
Bei der Herstellung von Lithium-Ionen Batterien handelt es sich um einen gekoppelten Prozess, dessen einzelne Schritte über komplexe Zusammenhänge die Kosten und Leistungseigenschaften der Zelle beeinflussen. Die Zusammenhänge im Produktionsprozess und dessen Optimierung werden auf nationaler Ebene vom Kompetenz-Cluster ProZell für die Batteriezellproduktion untersucht. Wir beschäftigen uns im Rahmen dieses Clusters mit der Evaluation und Optimierung von neuartigen Strukturierungskonzepten für Elektroden. Dabei erlauben unsere detaillierten Mikrostrukturaufgelösten Simulationen einen tiefen Einblick in den Einfluss der Elektrodenstruktur auf die Leistungseigenschaften der Batteriezelle. Auf dieser Basis können so Zielgrößen für den Herstellungsprozess definiert werden.
Ein wichtiger Aspekt aktueller Forschungsarbeiten ist es, die Erkenntnisse in eine digitale Abbildung des Produktionsprozesses zu übertragen um damit in-silico einen digitalen Zwilling der Batteriezelle zu generieren. Auf diese Weise können Änderungen und Verbesserungen am Produktionsprozess, sowie deren Auswirkung auf die Zelleigenschaften effizienter und kostengünstiger untersucht werden. Im Rahmen des EU Projektes DEFACTO werden in diesem Bestreben unserer Forschung Modelle für den Befüllprozess der Zellen mit flüssigem Elektrolyten entwickelt. In einem multi-skalen Ansatz wird das Vernetzungsverhalten der porösen Batteriematerialien beschrieben und untersucht. Dabei werden eigene Modelle, auf Basis der Lattice-Boltzmann Methode, entwickelt, welche erlauben die Flüssigkeitsverteilung im Porenraum auf Elektroden- und Zellebene zu untersuchen.
Die Leistung einer Lithium-Ionen Batterie wird bestimmt durch das komplexe Zusammenspiel von Reaktion und Transport an der Oberfläche bzw. im Porenraum der Elektrode. Deshalb setzen wir theoriebasierte Modelle der Nichtgleichgewichtsthermodynamik ein und beschreiben Prozesse an elektrochemischen Grenzschichten und im Aktivmaterial. Auf dieser Ebene wird auch die Lebensdauer der Batterie bestimmt. Nicht nur die mikroskopischen Materialeigenschaften sondern auch die makroskopische Elektrodenstruktur beeinflussen die Zellperformanz. Bei uns werden strukturaufgelöste Simulationsmethoden entwickelt, welche es erlauben, den Einfluss der Elektrodenstruktur bestehend aus Aktivmaterial, Leitruß und Binder sehr detailliert zu beschreiben. Die Aktivitäten fließen ein in die Entwicklung der Software BEST, welche von uns in Kooperation mit dem Fraunhofer Institut für Techno- und Wirtschaftsmathematik (ITWM) entwickelt wird.
Unsere Modelle und Simulationen sind eng verknüpft mit den experimentellen Aktivitäten beim DLR, dem HIU und unseren Projektpartnern. Die enge Verzahnung der Forschungsarbeiten ermöglicht eine systematische Optimierung der Batterie- und Elektrodenarchitektur, basierend auf einem virtuellen Elektrodendesign. Darüber hinaus entwickeln wir uns datenbasierte Ansätze, welche sowohl die Parametrierung der Modelle („Künstliche Intelligenz“), als auch die Auswertung der umfangreichen Simulationsdaten („Data-Mining“) weiter verbessern. Wir arbeiten deshalb auch an einer Datenbank über Messungen an kommerziellen und prototypischen Batterien. Unser Interesse ist dabei die Entwicklung einer automatisierten Datenanalyse mit unseren physik-basierten Modellen. So kann die umfangreiche vorhandene Datenbasis deutscher Unternehmen und Forschungsinstitute zusammengeführt werden.
In Kooperation mit unseren Partnern verfolgen wir eine Strategie, die als virtuelles Elektrodendesign zusammengefasst werden kann. Die Grundlage für unsere strukturaufgelösten elektrochemischen Simulationen bilden Mikrostrukturen der Elektroden, die über Tomographieaufnahmen oder durch virtuelle Strukturgeneratoren erzeugt werden können. Ziel des Ansatzes ist es dabei, die strukturellen, physikalischen und chemischen Eigenschaften der Aktivmaterialien und Passivmaterialien in einem immer stärker zunehmenden Detailierungsgrad zu berücksichtigen und die dazu notwendigen Methoden weiterzuentwickeln. Darüber hinaus entwickeln wir im Rahmen der Graduiertenschule SiMET neue Simulationsansätze für Lithium-Ionen Batterien.
Die Modelle und Simulationen werden so aufgesetzt, dass elektrochemische Charakterisierungsverfahren, wie Ratentests oder die elektrochemische Impedanzspektroskopie simuliert werden können. Dadurch ist ein direkter Abgleich mit experimentellen Ergebnissen möglich. Durch die Auswertung der Simulationen und das virtuelle Elektrodendesign werden der Community damit effiziente Werkzeuge zur Optimierung der Leistung von Lithium -Ionen Batterien zur Verfügung gestellt.
Neben der Leistung ist die Lebensdauer eine weitere maßgebliche Eigenschaft der Batterie. Die Lebensdauer der Batterie wird durch eine Vielzahl unterschiedlicher mechanischer und chemischer Prozesse beeinflusst.
Der wesentliche Grund für den kontinuierlichen Kapazitätsverlust von Lithium Batterien ist die Bildung der sogenannten SEI (solid electrolyte interphase). Die SEI ist eine Schicht auf der negativen Elektrode, die sich bei Kontakt mit dem Elektrolyten bildet und die weitere Elektrolytzersetzung unterdrückt. Allerdings ist dieser Schutz nicht perfekt und die SEI wächst kontinuierlich weiter. Dabei wird Lithium verbraucht und die Batteriekapazität sinkt. Unsere Modelle adressieren, welche universellen Strukturen sich bilden und was das SEI-Wachstum verursacht. Für Batteriealterung während der Lagerung haben wir schon eine klare Vorstellung. Während der Ladung und Entladung ist das Wachstum aber komplizierter. Neben dem direkten Einfluss der Elektrochemie gibt es dabei noch einen indirekten, mechanischen Einfluss durch die Ausdehnung des Aktivmaterials.
Diese Ausdehnung des Aktivmaterials entsteht durch die Einlagerung von Lithium. Dies erzeugt Spannungen innerhalb der Partikel, sowie auf Elektroden- und Zellebene. Es kann zum Bruch einzelner Partikel bzw. zum Verlust des elektrischen Kontakts von Teilen der Elektrode führen. Auch so geht Batteriekapazität verloren.
Zu den wichtigsten chemischen Degradationsmechanismen gehört die Abscheidung von metallischem Lithium auf der negativen Elektrode während des Ladevorgangs. Dieser als Lithium-Plating bezeichnete Prozess ist insbesondere bei der Entwicklung von Schnelladestrategien von großer Bedeutung. Darüber hinaus kann durch die inhomogene Abscheidung von Lithium das Wachstum von Dendriten begünstigt werden, welche zu einem starken Kapazitätsverlust und im schlimmsten Fall zum Kurzschluss der Zelle führen. Deshalb untersuchen wir die Auswirkung der Mikrostruktur auf das Auftreten von Lithium Plating. Unsere Simulationen erlauben es die Menge an abgeschiedenem Lithium in einer realen Mikrostruktur zu verfolgen, Indikatoren für Lithium Plating aus dem elektrochemischen Verhalten zu identifizieren und Gegenmaßnahmen durch Modifikationen der Mikrostruktur abzuleiten.
Die Alterung von Lithium-Ionen Batterien ist nicht nur bei bodennahen Anwendungen relevant, sondern auch in der Raumfahrt für die Fernüberwachung und Zustandsdiagnose von großer Bedeutung. Insbesondere ist es das Ziel den ‚SoH‘ (State-of-Health) abschätzen zu können und damit frühzeitig kritische Betriebszustände zu erkennen. Ein Austausch der Batterien in einem Satelliten ist nicht möglich, weshalb eine möglichst genaue Vorhersage der Alterung essentiell für die richtige Planung und Operation der Mission ist.
Um die Leistungsfähigkeit von Lithiumionenbatterien zu verbessern, wird eine Reihe von alternativen Zellkomponenten erforscht. So kann Silizium als Anodenmaterial die Lithium-Speicherkapazität der Batterie deutlich erhöhen. Allerdings treten bei der Lithiierung von Silizium hohe (mechanische) Spannungen auf, die zu volumetrischen Veränderungen der Anodenstruktur und ständiger Neubildung der SEI (Solid Electrolyte Interface) führen. Die Beschreibung der SEI auf Elektroden mit starker Volumenausdehnung, insbesondere Silizium ist daher ein weiterer Aspekt, welcher ebenfalls im Rahmen der Graduierten-Schule SiMET erforscht wird. Diese Modelle von Elektrodenteilchen und ihren Oberflächen setzen wir im EU-Projekt Si-Drive in Simulationen vollständiger Batteriezellen ein.
Zudem ist ein verbessertes Verständnis der Auswirkung der SEI auf die Lithium-Abscheidung entscheidend für die Kommerzialisierung stabiler Lithium-Metall Elektroden, welche den nächsten Sprung in der Energiedichte von Lithium Batterien ermöglichen würden. So konnten wir zeigen, dass die relativ starre SEI die Bildung von totem Lithium begünstigt (siehe Bild). In einer Kooperation vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) und dem US Department of Energy (DOE) wird an der Entstehung und Vermeidung inhomogener Lithiumstrukturen geforscht.