Fraunhofer-Institut für Techno- und Wirtschaftsmathematik ITWM
Der verstärkte Ausbau der Elektromobilität erfordert eine Weiterentwicklung der Kernkomponente eines Elektrofahrzeugs: dem elektrischen Energiespeicher. Aktuell wird hauptsächlich auf Lithium-Ionen-Akkumulatoren gesetzt. Während diese eine hohe spezifische Leistungs- und Energiedichte aufweisen, werden gerade im Automobilbereich hohe Anforderungen an Sicherheit und Lebensdauer gestellt.
Hierfür ist ein gutes thermisches und elektrisches Batteriemanagementsystem (BMS) von Nöten. Je genauer der Zustand einzelner Zellen im Akkupack bekannt ist, desto besser kann das BMS für einen sicheren und dauerhaften Betrieb des Packs sorgen.
Projekt »Temperaturoptimierte Batteriemodule mit instrumentierten Zellen« (TopBat)
Ein Teilaspekt des Verbundprojekts »Temperaturoptimierte Batteriemodule mit instrumentierten Zellen« (TopBat) ist daher die Konzeptentwicklung und Erprobung von Zellen, die individuell mit Potenzial- und Temperatursensorik ausgestattet werden. Die Instrumentierung soll mit möglichst geringem Einfluss auf den Fertigungsprozess möglich sein.
Potenzialmessungen dienen zur Beurteilung des sog. Platingrisikos – einem Degradationsprozess, bei dem sich metallisches Lithium abscheidet und zu einem gefährlichen Kurzschluss innerhalb der Zelle führen kann. Zusätzlich zu den beiden Batterieelektroden (Anode und Kathode) wird hierfür noch eine Referenzelektrode in die Zelle eingebracht, durch die kein Strom fließt und die lediglich der Potenzialmessung dient. Die Idee des Projektpartners Fraunhofer ISIT ist, diese Elektrode mit einem Referenzmaterial genauso als poröse Elektrode auszuführen wie Anode oder Kathode, was eine leichte Integration in bestehende Fertigungsprozesse gewährleistet.
BEST untersucht Geometrie instrumentierter Zelle
Wie die Geometrie einer solchen instrumentierten Zelle aussehen muss (Position und Größe der Referenzelektrode), um sinnvolle Messergebnisse zu erhalten, wird in diesem Projekt durch Computersimulationen untersucht. Hierfür wurde unser Simulationswerkzeug BEST (Battery and Electrochemistry Simulation Tool) entsprechend erweitert und für Simulationsstudien eingesetzt.
BEST basiert auf einem Satz partieller Differentialgleichungen zur Beschreibung der Prozesse innerhalb einer Lithium-Ionen Batterie. Diese werden für eine realistische Zelle voll dreidimensional gelöst. Somit lassen sich Referenzpotenziale berechnen und im Detail untersuchen, wie diese im Hinblick auf das Platingrisiko zu bewerten sind.
Die Berechnung der Wärmeentwicklung und ihre Wechselwirkung mit dem Batterieverhalten ist ein weiterer wichtiger Fokus des Projekts. Hierfür wurde ein thermisch-elektrochemisches Batteriemodell in BEST integriert, so dass eine lokal aufgelöste Temperaturverteilung ermittelt werden kann, was im Zusammenhang mit der Interpretation von Messungen zellinterner Temperatursensoren sehr wertvoll ist.