Mit Hochdruck arbeiten die Autohersteller derzeit am "Roll-Out" der Elektromobilität. Im Fokus der Entwickler stehen dabei besonders die Batterien der Fahrzeuge. Die Energiespeicher sind derzeit nicht nur der größte Kostenfaktor bei den Elektrofahrzeugen, sondern auch ihr größter Nachteil: Die damit erzielten Reichweiten sind im Vergleich zum Benzintank noch äußerst gering. 3D-Simulationen bis in die mikroskopische Struktur des Batterieinnenlebens sollen nun dabei helfen, die Akkus zu optimieren und neue Designs und Materialien für leistungsstärkere Batterien zu finden.

Spritverbrauch und PS-Ausstattung: Neben Design, Sicherheit, Komfort und Preis sind das die beiden wichtigsten Aspekte bei Kauf eines Neuwagens. Doch schon jetzt werden diese beiden Kriterien mehr und mehr abgelöst durch Fragen nach Reichweite und die Lebensdauer der Batterien, denn der Verkauf von Elektromobilen ist in den vergangenen Monaten angestiegen - wenn auch auf niedrigem Niveau: Nach Berechnungen des Center Automotive Research an der Universität Duisburg-Essen werden in diesem Jahr 100.000 Elektroautos weltweit zugelassen. In Deutschland dürften es 3.000 bis 5.000 Elektroautos sein. Grund für die Zurückhaltung des Marktes ist dabei vor allem der "Stromtank". Er ist nicht nur der mit Abstand größte Kostenfaktor der E-Cars, sondern gleichzeitig auch der "Pferdefuß" für den Start in die Elektromobilität in großem Stil. Im Vergleich zu ihren benzinbetriebenen Konkurrenten gelten die aktuellen Reichweiten von wenigen hundert elektrisch gefahrenen Kilometern als wenig attraktiv.

Größtes Problem für die Batterieentwickler ist derzeit die Erwartung, dass moderne Stromspeicher gleichzeitig mehrere Faktoren optimal erfüllen können. Bei der Beschleunigung der Fahrzeuge sollen sie einerseits kurzfristig hohe Leistungen abgeben, aber andererseits die Energie möglichst "intelligent" einteilen. Zudem müssen Speicher konzipiert werden, die ihr volles Leistungsvermögen möglichst lange behalten, also viele Ladezyklen ohne zu große Kapazitätseinbußen aushalten. Die Entwickler forschen deshalb entweder intensiv daran, die derzeit mehrheitlich von den Autoherstellern eingesetzten Lithium-Ionen-Akkus weiter zu optimieren. Oder sie arbeiten mit neuen Materialien für die Energiespeicher, um in punkto Kapazität, Abgabe, Lebensdauer und Sicherheit höhere Leistungen zu erzielen. Doch unabhängig davon, welchen Entwicklungsweg sie gehen: In der Regel werden die dafür nötigen Experimente noch nach dem Trial-and-Error-Prinzip durchgeführt. Denn für eine Vielzahl möglicher Optimierungen scheint dies die einzige Möglichkeit, um Fortschritte zu erzielen. Eine Suche nach neuen Lösungen zur Verbesserung der Fahrzeugbatterien ist also nicht nur sehr kostenintensiv, sondern vor allem sehr zeitaufwändig.

Um diese Prozesse zu beschleunigen und effizienter zu gestalten, entwickelten die Simulationsexperten des Fraunhofer ITWM eine Software, mit der sich die Qualität von Fahrzeugbatterien gezielt verbessern lässt. Das Besondere daran: Das im Rahmen der Fraunhofer Systemforschung Elektromobilität entstandene Battery and Electrochemistry Simulation Tool (BEST) kann die Entlade- und Ladevorgänge der Akkus sowohl auf makroskopischer wie auch auf mikroskopischer Ebene detailliert analysieren und optisch veranschaulichen. Um das Innenleben der Batterien in der Simulationsumgebung der Software möglichst realitätsgetreu darzustellen, arbeiten die Forscher mit mathematischen Modellen aus gekoppelten partiellen Differentialgleichungen. Zur Lösung dieser Gleichungen implementierten sie in ihr Softwaretool ein neuentwickeltes Finite-Volumen-Verfahren.

Die Entwickler erhalten damit die bislang einmalige Gelegenheit, bis auf jede einzelne, etwa zehn Mikrometer kleine Pore der Elektroden in die Akkus hinein zu zoomen. In der Simulation lassen sich also die elektrochemischen Prozesse beim Be- und Entladen exakt berechnen und am Computerbildschirm mitverfolgen. Ohne die bislang notwendigen aufwändigen Experimente können auf diese Weise bereits am Rechner verschiedene Materialzusammensetzungen für die Elektroden und den dazwischenliegenden elektrolytgefüllten Separator analysiert werden. Für das zugrunde liegende Transportmodell, das den realen Austausch der Ionen in den Batteriezellen in mathematische Berechnungen "übersetzt", wird die mikroskopische Struktur der Elektroden dreidimensional aufgelöst. Sowohl der Ionentransport im Elektrolyten wie in den einzelnen Aktivpartikeln wird damit berechenbar. Zudem berücksichtigt die Simulation auch die auftretenden elektrothermischen Prozesse, sodass auch lokale Hotspots festgestellt werden können. Sie sind eine der wichtigsten Ursachen für eine schleichende Degradation und damit für eine verkürzte Lebensdauer der Batterien.

Parallel dazu werden die Strukturen der Batterien mit dem Simulationstool BEST auch in einem makroskopischen Maßstab abgebildet und in ihrem Verhalten simuliert. In dieser zweiten, gröberen Perspektive lassen sich komplette Batteriezellen am Rechner zusammenbauen. Dazu verwenden die Forscher für ihre mathematischen Modelle durch Volumenmittlung besonders effektive Transportgleichungen. Dadurch ist es möglich, die Wirkungen des räumlichen Designs der Akkuzellen auf die Strom-, Ladungs- und Temperaturverteilung hin zu untersuchen. Beispielsweise hat die Anordnung der Zu- und Ableiter für den Strom großen Einfluss auf die Leistungsperformance der gesamten Zelle. Simulationsläufe unterstützen die Batterieentwickler dabei, das Wirkungsgefüge innerhalb der Zellen besser zu verstehen. Anhand von Simulationsläufen lassen sich sehr einfach verschiedenste Materialzusammensetzungen und Geometrien für eine Optimierung der Batteriezellen durchtesten.

Eine besondere Herausforderung in den Testlaboren der Entwickler ist das Verstehen und Analysieren von Alterungsprozessen der Batterien. An realen Akkus wird das Ausmaß und die Art der Beschädigungen in der Regel erst durch Öffnen und damit nach der Zerstörung der Testbatterie sichtbar. Rückschlüsse darauf, welche Prozesse für die Degradation ursächlich sind und wie die Alterung in ihrem Verlauf fortschreitet, lassen sich damit nur schwer treffen. Derzeit arbeiten die Simulationsexperten von Fraunhofer ITWM daran, ihre Rechenmodelle so zu ergänzen, dass sie auch Alterungsprozesse "sichtbar" machen. Damit wäre ein wichtiger Meilenstein erreicht, um die Lebensdauer künftiger Batterielösungen für Elektrofahrzeuge schneller und zielgerichteter erforschen zu können.

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Dr. Jochen Zausch
  • Fraunhofer-Institut für Techno- und Wirtschaftsmathematik ITWM
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