FORSCHUNGSWELT
Ein Überblick
Multiskalen-Modellierung von Batterien Akkuforschung wird heute von unterschiedlichsten Interessengruppen vorangetrieben. Sie beinhaltet Untersuchungen zu neuen Materialien und elektrochemischen Reaktionen, zum Design von Batteriezellen und -systemen sowie zur Ökobilanzierung, einschliesslich Rohstoffgewinnung, Entsorgung und Recycling. Dabei bieten Modellierung und Simulation einen effizienten und kostengünstigen Ansatz. Der folgende Artikel widmet sich der Modellierung jenseits des molekularen Massstabs.
Modellierung und Simulation (M&S), die immer mit experimentellen Untersuchungen kombiniert werden sollten, folgen einem mehrstufigen Prozess: Nach der physikalisch basierten Modellbildung und Validierung können letztlich Vorhersagen getroffen werden, welche über den ursprünglichen Validierungsbereich hinausgehen. Forscher und Ingenieure können Modelle im gesamten F&E-Prozess verwenden, um virtuelle Experimente durchzuführen. Solche «Was-wäre-wenn»-Studien führen zu einem tieferen Verständnis des untersuchten Batteriesystems – und können neue Ideen inspirieren. Batteriemodelle können für Prognosen, Design, Optimierung und Regelung verwendet werden. Batterieforschung wird heute von unterschiedlichsten Interessengruppen wie Grundlagenforschern, Batterieherstellern und Geräteentwicklern vorangetrieben. Sie beinhaltet Untersuchungen zu neuen Materialien und elektrochemischen Reaktionen, zum Design von Batteriezellen und -systemen sowie zur Ökobilanzierung, einschliesslich Rohstoffgewinnung, Entsorgung und Recycling.
Molekulardynamikmodelle werden von Materialwissenschaftlern, Elektrochemikern und Physikern verwendet, um neue chemische Effekte in Batterien zu erforschen und das Verhalten möglicher neuer Materialien und Reaktionen vorherzusagen. Diese Art von Forschung wird üblicherweise an Universitäten, Forschungsinstituten und in den F&E-Labors der Batteriehersteller durchgeführt. In diesem Artikel widmen wir uns der Modellierung jenseits des molekularen Massstabs.
Ebenfalls von Bedeutung ist das Design der Elektroden, des Elektrolyten, des Separators und der Stromabnehmer in einer Batteriezelle. M&S kann hier das Verständnis für die Faktoren eines guten Zellendesigns für eine bestimmte Anwendung entscheidend unterstützen. Batteriesysteme für Elektrofahrzeuge bestehen aus Akku-Modulen, deren Design sowohl für Hersteller von Batterien als auch OEM-Hersteller von grossem Interesse ist. Oft sind auch staatliche Forschungs-
Bilder: Comsol Multiphysics
Ed Fontes ¹ , Henrik Ekström ²
Modellskalen Je nach Interessengruppe und Vorhaben können M&S-Projekte für Batterien auf unterschiedlichen Skalen erfolgen: der molekularen, der mikroskopischen, der Skala der Batteriezelle oder der Akkumodule. ¹ CTO, Comsol ² Technologie-Manager, Elektro chemie, Comsol
5/2021
Bild 1: Die Modellskalen reichen von Ångström (10 –10 m) bis zur Modulskala (1 m). Hier werden die Grössenordnungen beispielhaft an einer zylindrischen Li-Ionen-Zelle und einem Akkupack aus zylindrischen Zellen dargestellt.
Die mikroskopische Struktur und die physikalischen Eigenschaften eines Batteriematerials sind hingegen für alle Interessensgruppen interessant, auch für die Originalausrüstungshersteller (OEM).
institute für Luft- und Raumfahrt sowie Verteidigung an neuen Erkenntnissen interessiert. Die Modellierung konzentriert sich hierbei auf das Verständnis und die Entwicklung der Systemperformance (Ener31
