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Best: Software zur Simulation von Lithium-Ionen-Batterien

Lithium-Ionen-Batterien schneller und effizienter entwickeln: Um dies bewerkstelligen zu können, haben Forscher des Fraunhofer-Instituts für Techno- und Wirtschaftsmathematik ITWM in Kaiserslautern jetzt eine Software zur Simulation von Lithium-Ionen-Batterien entwickelt. Die neue Software wurde auf den Namen Best getauft, was für Battery and Electrochemistry Simulation Tool steht.

Ein Lithium-Ionen-Akkumulator besteht aus zwei porösen Elektroden, die durch einen elektrolytgefüllten Separator getrennt sind. Beim Laden und Entladen der Batterie werden Lithium-Ionen zwischen den Elektroden ausgetauscht. "Die Leistungsfähigkeit der Batterie hängt von den verwendeten Materialien der Komponenten ab. Diese müssen miteinander harmonieren", erklärt Dr. Jochen Zausch, Wissenschaftler der Gruppe "Komplexe Fluide" am ITWM. "Mit unserer Software lassen sich unterschiedliche Materialkombinationen simulieren. So kann man die geeignete Zusammensetzung herausfinden. Das bisherige Testen nach dem Trial-and-Error-Prinzip entfällt."

Den ITWM-Forschern ist es gelungen, die komplette Batteriezelle sowie Transport- und Reaktionsvorgänge der Lithium-Ionen sowohl auf makroskopischer als auch auf mikroskopischer Ebene darzustellen. "Wir können die mikroskopische Struktur der Elektroden anzeigen. Jede einzelne zehn Mikrometer große Pore ist zu sehen", erläutert Zausch und fügt hinzu: "Das leistet keines der derzeit erhältlichen kommerziellen Programme". Auch die Position und die Form der Elektroden sei variierbar.

Indem die Struktur der Elektroden räumlich aufgelöst und dreidimensional dargestellt wird, lassen sich Parameter wie Konzentrationsverhältnisse der Lithium-Ionen, Elektrolytkonzentration und Stromdichte berechnen, erklärt die Fraunhofer-Gesellschaft. Die Berechnungen erfolgen mit einem speziellen, selbst programmierten Finite-Volumen-Verfahren, das die Forscher in die Software integrierten, heißt es weiter. Die Verteilung des Stromflusses gebe beispielsweise Aufschluss über die Wärmeproduktion in der Batterie. "Hotspots", die besonders heiß werden und sich entzünden könnten, sollen sich mithilfe der Software schnell aufspüren lassen. Auch Alterungseffekte lassen sich mit Best bewerten, heißt es. Denn die Temperaturentwicklung beeinflusse die Lebensdauer der Akkus. Ziel der Wissenschaftler ist es, das Programm um Alterungsmodelle zu erweitern, die diese Untersuchungen noch weiter vereinfachen.

"Letztendlich soll Best sowohl Automobilproduzenten als auch Hersteller elektrischer Energiespeicher dabei unterstützen, stabile und sichere Batterien mit höherer Reichweite und zugleich verbessertem Beschleunigungsverhalten zu bauen", resümiert Zausch. Zu sehen ist die Software auf der Hannover Messe am Fraunhofer-Gemeinschaftsstand.
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