Modellierungswerkzeugkette zur Optimierung hochleistungsfähiger Lithium-Ionen-Batterien
Lithium-Ionen-Batterien konnten bereits die nachhaltige Energieversorgung revolutionieren und sind zur bevorzugten Energiequelle für verschiedene Anwendungen, auch für Elektroautos, geworden. Zurückzuführen ist dies vor allem auf ihre hohe Energiedichte, lange Lebensdauer, geringen Selbstentladungsraten und hohe Ladeeffizienz. Um die Weiterentwicklung von Lithium-Ionen-Batterien mit höherer Energiedichte zu forcieren, hat eine Gruppe europäischer Forschender als Bestandteil des EU-finanzierten Projekts MODALIS2 eine neue Modellierungswerkzeugkette entworfen. Dem Projektkonsortium gehören 15 Partner an. Erfahren in der Anwendung von Batteriesimulationswerkzeugen lieferten sie wertvolle Beiträge zur Verbesserung der Funktionen der Werkzeugkette, zur besseren Unterstützung der Beteiligten aus der Industrie und zur Lösung einiger ihrer Probleme. „Es wird eine vollständige Modellierungswerkzeugkette gebraucht, um alle relevanten Mechanismen von der molekularen und zellulären Ebene bis hin zur endgültigen Integration in das Gesamtsystem zu berücksichtigen. Auf diese Weise wird die Industrie neue und innovative Materialien in ihre Lithium-Ionen-Batteriezellen der nächsten Generation einarbeiten können“, erklärt Projektkoordinator Martin Petit.
Die Batterien der nächsten Generationen 3b und 4b voranbringen
Als Hauptschwerpunkt im Mobilitätssektor gelten die Lithium-Ionen-Batterien, insbesondere die als Generation 3b eingestuften Flüssigbatterien und die als Generation 4b klassifizierten Festkörperbatterien. Petit zufolge wird mit Generation 3b die Kapazität der positiven und negativen Elektroden gesteigert, während bei Generation 4b Festkörperelektrolyten zum Einsatz kommen, um die Sicherheit zu erhöhen und die Verwendung von Lithium-Metall für die negative Elektrode zu unterstützen. Die Modellierungswerkzeugkette von MODALIS2 stellt ein wirksames Instrumentarium dar, um die Vor- und Nachteile neuer Materialien sowie die mögliche Zuverlässigkeit der aus diesen Materialien hergestellten Batterien zu verstehen. „MODALIS2 bietet ein hohes Maß an Flexibilität in den Zell- und Batterieentwicklungsabläufen, was effektive Lösungen für die im Design bestehenden Herausforderungen zulässt“, führt Petit näher aus. Außerdem wies er darauf hin, dass der Modellierungsansatz darauf abzielt, den kosten- und zeitaufwendigen Prozess des Ausprobierens auf Basis von Versuch und Irrtum zu reduzieren. Beispielsweise gestattet die Modellierungswerkzeugkette die schnellere Integration neuer und innovativer Materialien in die Lithium-Ionen-Batteriezellen der nächsten Generation, was in kostengünstigen, effizienten und zuverlässigen Elektrofahrzeugen resultiert.
Vorteile und Grenzen neuer Materialien verstehen
MODALIS2 befasste sich mit den Herausforderungen im Zusammenhang mit den mechanischen Vorgängen und Effekten in Batterien. Petit zufolge weisen neu entstehende Batterietechnologien und -materialien wie etwa die negativen Elektroden auf Siliziumbasis und Festkörperelektrolyten starke mechanisch verursachte Ausfallerscheinungen auf. „Dabei kann es sich um fortschreitende Abbaumechanismen wie Alterung oder kritisches Versagen wie das zu Kurzschlüssen führende dendritische Wachstum handeln“, stellt er fest. Die MODALIS2-Modellierungswerkzeuge wurden in eine weitverbreitete, kommerziell erhältliche Software integriert. Werkstoffe, Zellen und Erstausrüstung herstellende Unternehmen wurden in diesen Werkzeugen geschult und gaben Rückmeldungen ab, woraus eine einheitliche Modellierungsplattform entstand, welche die Entwicklungsprozesse aller Hauptinteressengruppen der Batteriewertschöpfungskette umfasst. Diese neue Werkzeugkette kann die Elektrofahrzeugeinführung beschleunigen, da sie die Industrie in die Lage versetzt, die Lithium-Ionen-Batteriezellen der nächsten Generation effizienter zu entwickeln. Auf diese Weise wird Elektrofahrzeugen mit verbesserten Leistungseigenschaften der Weg bereitet.
Schlüsselbegriffe
MODALIS2, Lithium-Ionen, Modellierungswerkzeugkette, Elektrofahrzeuge, Lithium-Ionen-Batterien, Generation 3b, Energiedichte, Generation 4b, nachhaltige Energie
