Fertigung hochkapazitiver, strukturierter Elektroden

Das Gesamtziel des Verbundvorhabens HighEnergy ist es, die Performance von Lithium-Ionen-Zellen bei gleichzeitiger Einsparung von Material- und Herstellungskosten zu verbessern. Um dieses Ziel zu erreichen, sollen dicke Elektroden entwickelt werden, welche die Energiedichte erhöhen und gleichzeitig Material einsparen sowie eine höhere Durchsatzgeschwindigkeit erlauben. Aufgrund der Transportlimitierungen in dicken Elektroden sind hierfür jedoch spezielle Strukturierungskonzepte nötig. Ein wesentlicher methodischer Ansatz des Verbundvorhabens besteht darin, dass diejenigen Arbeitsgruppen, die Untersuchungen auf dem Gebiet der Prozesstechnik durchführen, eng mit den beteiligten Arbeitsgruppen der Modellierung und Simulation von Elektrodenmaterialien kooperieren.

Als bisheriger Standard gilt in der Batteriemodellierung das Pseudo-2D-Modell (P2D) von Newman, das einen homogenisierten Ansatz für Elektroden verfolgt. Allerdings können in diesem makroskopischen Ansatz und in den vielen darauf aufbauenden Erweiterungen strukturelle Details und Inhomogenitäten nicht berücksichtigt werden. Daher haben sich jüngst strukturaufgelöste Modelle etabliert, die zwar deutlich rechenaufwändiger sind, dafür aber einen detaillierten Einblick in den Betrieb der Batterie bieten und die Untersuchung von Korrelationen zwischen Elektrodenstruktur, Batteriefunktion und -degradation erlauben. Als Input für die ortsaufgelöste elektrochemische Simulation sind detaillierte Strukturinformationen notwendig, die beispielsweise über Synchrotron-Tomographie gewonnen werden können. Ein erfolgversprechender Ansatz zur Reduzierung des experimentellen Aufwands ist dabei die Nutzung von Methoden der stochastischen Geometrie. Dabei werden parametrische stochastische 3D-Modelle für die Mikrostrukturen entwickelt, die in Batterieelektroden beobachtet werden.

Das Ziel dieses Teilprojektes ist es, parametrische stochastische 3D-Modelle zu entwickeln, mit deren Hilfe ein breites Spektrum von virtuellen, jedoch realistischen 3D-Mikrostrukturen generiert werden kann, die dann als Input für elektrochemische Simulationen genutzt werden können. So kann dann am Computer wesentlich schneller eine Vorauswahl gut funktionierender Strukturierungskonzepte getroffen werden und den prozesstechnischen Gruppen mitgeteilt werden, als wenn alle diese Konzepte im Labor überprüft werden müssten.

In diesem Teilprojekt werden parametrische stochastische 3D-Strukturmodelle zur Mikrostrukturoptimierung hochkapazitiver, strukturierter Elektroden entwickelt. Die Modelle bilden die Grundlage, um gemeinsam mit Partnergruppen in HighEnergy Zusammenhänge zwischen Elektrodenstruktur und Batteriefunktion aufzuklären und zu quantifizieren und auf diese Weise Strukturierungskonzepte für Batteriematerialien mit optimierten Funktionseigenschaften zu entwickeln.

Die zu erstellenden stochastischen Mikrostrukturmodelle werden mittels tomographischer Bilddaten für 3D-Mikrostrukturen realer experimenteller Elektrodenmaterialien kalibriert, die von den Arbeitsgruppen der Prozesstechnik bereitgestellt werden. Die Vorteile von Mikrostrukturmodellen der stochastischen Geometrie sind vielfältig. Durch diese Modelle können maßgeschneiderte disperse 3D-Multiskalen-Geometrien simuliert werden, die „off-grid“ sind, d. h., sie sind nicht an spezielle Rechengitter gebunden. Deshalb können die Multiskalen-Geometrien auf effiziente Weise in (praktisch beliebig) großen Gebieten generiert werden. Durch die gezielte Variation der Parameter bzw. einzelner Module der Modelle kann dann ein großes Spektrum virtueller, aber immer noch realistischer 3D-Strukturen generiert werden.

Die Performance der virtuellen Mikrostrukturen wird dann mittels ortsaufgelöster elektrochemischer Simulationen von Partnern im HighEnergy Projekt untersucht. Im Ergebnis dieser Kooperation werden Zusammenhänge zwischen Elektrodenstruktur und Batteriefunktion aufgeklärt und quantifiziert, woraus Strukturierungskonzepte für Batteriematerialien mit optimierten Funktionseigenschaften abgeleitet werden, die dann als Input an die prozesstechnischen Arbeitsgruppen übergeben werden. Der Fokus der Strukturvariationen liegt dabei auf folgenden Punkten:

• Variation der Partikelgrößenverteilung,

• Variation der Porosität,

• Variation der Porenstruktur,

• Integration von Anisotropie-Effekten des Materials (welche in den experimentellen Elektrodenmaterialien z. B. durch Kalandrierung entstehen) und

• Integration von Strukturgradienten für geschichtete und nichtgeschichtete Strukturszenarien.

Die in diesem Projekt durchgeführte Kombination von parametrischer stochastischer 3D-Mikrostrukturmodellierung mit simulativen Performance-Analysen haben das Potenzial, eine deutliche Technologieentwicklung im Materialdesign für Batterieelektroden zu erzielen, wobei die prinzipielle Vorgehensweise auch für andere Anwendungsgebiete verwendet werden kann. Durch die Zusammenführung entsprechender Expertisen, wie dies im Rahmen des Verbundprojektes vorgesehen ist, werden neue Ideen zur Steigerung der Leistung von Batterien erforscht, um letztlich Anwendung in der Industrie zu finden.

Konkret sollen durch Modellierung und Simulation vielversprechende Strukturierungskonzepte identifiziert und den prozesstechnisch arbeitenden Gruppen entsprechende Information übergeben werden. So wird der experimentelle Aufwand wesentlich verringert, da, sobald die entsprechenden Modelle entwickelt sind, virtuelle Szenarien am Computer deutlich schneller untersucht werden können als im Labor.

Die Ergebnisse sollen direkt im HighEnergy-Projekt durch die prozesstechnisch arbeitenden Gruppen umgesetzt werden. So können die Resultate im Labor validiert und letztlich auch für die Industrie nutzbar gemacht werden.