Entwicklung einer physikalisch basierten und experimentell validierten Multiskalen-Simulationsmethodik zur Prädiktion des Crashverhaltens von Lithium-Ionen-Batterien und zur frühzeitigen Sicherheitsbewertung von Zelldesigns

Aufgrund immer höherer Energiedichten von Batteriesystemen durch Verwendung neuartiger Materialien und Zelldesigns sind sicherheitstechnische Aspekte von zunehmender Bedeutung. Dieses Forschungsvorhaben verfolgt das Ziel, in einem frühen Stadium der Entwicklung solcher Systeme für mobile Anwendungen eine Sicherheitsbewertung zu ermöglichen. Eine frühzeitige simulationsbasierte Bewertung von neuen Batteriematerialien und Zelldesigns ermöglicht zum einen eine gezielte optimale sicherheitstechnische Auslegung und zum anderen einen deutlich beschleunigten und kostengünstigen Entwicklungsprozess von sicheren und leistungsfähigen Batteriesystemen.

Um dies zu realisieren, soll eine Multiskalen-Simulationsmethodik entwickelt werden. Hierbei werden zum einen elektrochemische Modelle zur Abbildung der Reaktionen während eines Thermal Runaway und zum anderen mechanische Modelle der Partikelsysteme zur Simulation von internen Kurzschlüssen entwickelt. Durch Kopplung in einem mehrdimensionalen Modell der Batteriezelle kann das Verhalten im Falle eines Versagens durch Überhitzung oder mechanischer Verformung simuliert werden. Die Einzelmodelle sind hierbei durch Entwicklung spezieller experimenteller Setups vorab einzeln parametriert, sodass eine Prädiktion des Crashverhaltens ermöglicht wird. Zunächst werden relevante Lastfälle und Systemanforderungen definiert. Darauf aufbauend werden die physikalischen Modelle entwickelt und in einer gemeinsamen Simulationsumgebung gekoppelt. Durch Entwicklung geeigneter experimenteller Setups erfolgt die Parametrierung der Modelle. Es werden anschließend an ersten Zellchemien und -designs die Simulationsergebnisse validiert und ggf. Modelle und Parametriermethodik weiterentwickelt. Basierend darauf und unter Verwendung des Gesamtmodells, wird eine Optimierung des Zelldesigns hinsichtlich Gehäusematerialien und Sensorik durchgeführt. Im Anschluss wird die Übertragbarkeit dieses Entwicklungswerkzeugs mit weiteren Designs und Zellchemien überprüft.

Quelle: https://www.enargus.de/pub/bscw.cgi/?op=enargus.eps2&q=%2201179092/1%22&v=10&id=333941 (jüngster Zugriff: 12.09.2024)