Fraunhofer-Institut für Techno- und Wirtschaftsmathematik ITWM
Lithium-Ionen Batterie als Energiespeicher sind für die Elektromobilität unabdingbar. Ihre Lebensdauer muss jedoch deutlich erhöht werden. Das Verständnis der limitierenden Degradationsmechanismen ist für die Industrie unbedingt notwendig.
Ein wesentlicher Degradationseffekt resultiert aus der Volumenänderung einiger Anodenmaterialien während der Interkalation von Lithium-Ionen: So ändert z. B. Silizium, das durch seine hohe gravimetrische Kapazität als sehr vielversprechendes neues Anodenmaterial gilt, sein Volumen um 300 Prozent. Die entstehenden mechanischen Spannungen können zu Rissen innerhalb der Elektrode und so zum Kapazitätsverlust führen können.
AiF-Projekt ALIB (Ausdehnung von Li-Ionen Batteriezellen)
Um diese Einflüsse besser bewerten zu können, wurden im AiF-Projekt ALIB (Ausdehnung von Li-Ionen Battteriezellen) die bestehenden elektrochemischen Simulationsmodelle unserer Software BEST erweitert. Und zwar so dass auch mechanische Effekte wie die Volumenänderung beachtet werden.
Grundsätzlich berechnet BEST den Ionen- und Ladungstransport in der Batterie, um prädiktive Aussagen über das Batterieverhalten machen zu können. Hierzu kann die 3D-Mikrostruktur der Elektroden berücksichtigt werden, die sich z. B. aus der Rekonstruktion bildgebender Verfahren ergibt.
In Zusammenarbeit mit unseren Kooperationspartnern am Helmholtz-Institut Ulm wurde die ursprüngliche Modellierung dahingehend ausgebaut, dass nun auch
- die von der Lithium-Konzentration abhängige Volumenänderung
- sowie der Aufbau mechanischer Spannungen beschrieben werden können.
Zusätzlich wird der durch inhomogene mechanische Spannungen bedingte Einfluss auf den Ionentransport und die Interkalationsreaktion berücksichtigt. Die numerische Lösung erfolgt über eine Kopplung unseres Batterielösers BEST mit unserem Mechaniklöser FeelMath, der die mechanischen Gleichungen hocheffizient über eine Fourier-Methode berechnet.
Phasenfeldmodell lässt Batterieverhalten und Risiko vorhersagen
Für bestimmte Ladezustände zeigen manche Elektrodenmaterialien darüber hinaus ein Phasenseparationsverhalten in eine Li-reiche und eine Li-arme Phase. Es wird erwartet, dass dies mechanische Degradation noch einmal verstärken kann.
Durch Hinzufügen eines Phasenfeldmodells ist es gelungen, die Effekte von Elektrochemie, Mechanik und Phasenseparation inklusive der Wechselwirkung mit dem Elektrolyten unter Berücksichtigung der Elektrodenmikrostruktur numerisch zu beschreiben. Auf diese Weise lässt sich nicht nur das durch die Mechanik beeinflusste Batterieverhalten vorhersagen, sondern auch das Risiko mechanischer Degradation abschätzen.