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Fraunhofer ITWM Simulation für Batterie-Forschung

| Redakteur: Bernd Otterbach

Forscher des Fraunhofer-Instituts für Techno- und Wirtschaftsmathematik ITWM in Kaiserslautern haben eine Software zur Simulation von Lithium-Ionen-Batterien entwickelt.

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Mit Hilfe der Software BEST (Battery and Electrochemistry Simulation Tool) könnten neue Materialien für fortschrittliche Batterien entwickelt werden, teilte das ITWM mit. Die Materialien sollen die Energiespeicher in punkto Kapazität, Leistungsfähigkeit, Lebensdauer und Sicherheit verbessern.

Ein Lithium-Ionen-Akku besteht aus zwei porösen Elektroden, die durch einen elektrolytgefüllten Separator getrennt sind. Beim Laden und Entladen der Batterie werden Lithium-Ionen zwischen den Elektroden ausgetauscht. „Die Leistungsfähigkeit der Batterie hängt von den verwendeten Materialien der Komponenten ab. Diese müssen miteinander harmonieren. Mit unserer Software lassen sich unterschiedliche Materialkombinationen simulieren. So kann man die geeignete Zusammensetzung herausfinden. Das bisherige Testen nach dem Trial-and-Error-Prinzip entfällt“, sagte Dr. Jochen Zausch, Wissenschaftler der Gruppe „Komplexe Fluide“ am ITWM.

Jede Pore sichtbar

Den ITWM-Forschern ist es gelungen, die komplette Batteriezelle sowie Transport- und Reaktionsvorgänge der Lithium-Ionen sowohl auf makroskopischer als auch auf mikroskopischer Ebene darzustellen. „Wir können die mikroskopische Struktur der Elektroden anzeigen. Jede einzelne zehn Mikrometer große Pore ist zu sehen. Das leistet keines der derzeit erhältlichen kommerziellen Programme. Auch die Position und die Form der Elektroden ist variierbar“, so Zausch.

Hotspots aufspüren

Indem die Struktur der Elektroden räumlich aufgelöst und dreidimensional dargestellt wird, lassen sich Parameter wie Konzentrationsverhältnisse der Lithium-Ionen, Elektrolytkonzentration und Stromdichte berechnen. Die Berechnungen erfolgen mit einem speziellen, selbst programmierten Finite-Volumen-Verfahren, das die Forscher in die Software integrierten. Die Verteilung des Stromflusses gibt beispielsweise Aufschluss über die Wärmeproduktion in der Batterie. „Hotspots“, die besonders heiß werden und sich entzünden könnten, kann man laut Zausch mit der Software schnell aufspüren. Auch Alterungseffekte ließen sich mit BEST bewerten. Ziel der Wissenschaftler ist es, das Programm um Alterungsmodelle zu erweitern, die diese Untersuchungen noch weiter vereinfachen.

„Letztendlich soll BEST sowohl OEMs als auch Batteriehersteller dabei unterstützen, stabile und sichere Batterien mit höherer Reichweite und zugleich verbessertem Beschleunigungsverhalten zu bauen“, resümiert Zausch. Zu sehen ist die Software auf der Hannover Messe vom 4. bis zum 8. April am Fraunhofer-Gemeinschaftsstand in Halle 2, Stand D22.

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