Das Laden unterwegs gehört zu den unbeliebten Begleiterscheinungen der Elektromobilität, weil es länger dauert als ein normaler Tankvorgang. Auf der anderen Seite bedeutet das aber auch, dass ein Laden ohne Warten die Akzeptanz der Stromer nachhaltig weiter fördern könnte. Genau daran arbeiten die Partner von »structur.e« derzeit. In diesem Projekt werden mit Hilfe komplexer Simulationen Methoden erforscht, die die Schnellladefähigkeit von Batterien verbessern sollen. Beteiligt ist auch das Fraunhofer-Institut für Techno- und Wirtschaftsmathematik ITWM und seine Simulationssoftware „BEST“.

Die eierlegende Wollmilchsau ist noch zu schwer, zu träge und zu groß. Die Akkus von Elektrofahrzeugen wiegen aktuell zwischen 300 und 750 Kilogramm. Sie bestehen aus Lithium-Metalloxid mit variablen Anteilen an Nickel, Mangan und Kobalt und können eine Fläche von mehreren Quadratmetern einnehmen. Vor allem aber sind die Lithium-Ionen-Batterien in unseren Elektroautos bei weitem nicht so leistungsfähig, wie sich das Fahrzeugindustrie und E-Fahrzeug-Besitzer*innen wünschen.

»Akkus sollen eigentlich schon heute eine Vielzahl an Erwartungen optimal erfüllen: Bei der Beschleunigung der Fahrzeuge sollen sie einerseits kurzfristig hohe Leistungen abgeben, aber andererseits die Energie möglichst intelligent einteilen. Zudem müssen Speicher so konzipiert sein, dass sie ihr volles Leistungsvermögen möglichst lange behalten, also viele Ladezyklen ohne zu große Kapazitätseinbußen aushalten. Und sie müssen schnell geladen werden können«, erklärt Jochen Zausch vom Fraunhofer-Institut für Techno- und Wirtschaftsmathematik ITWM. Diese Form der eierlegenden Wollmilchsau aber gibt es nicht. Noch nicht. Aber das könnte sich mit Hilfe des Projekts structur.e in den kommenden Jahren ändern. Zumindest, was die Ladezeiten an den elektrischen Zapfsäulen betrifft.

Test mit BEST

Also bald keine Kaffeepause mehr beim Tanken? Einfach die Verbindung herstellen, vielleicht nur noch kurz die Mails checken, ein Toilettengang und weiter? Ganz so schnell wird es nicht gehen, sagt Zausch. Das liegt unter anderem daran, dass zunächst unterschiedlichste Lösungsansätze konzeptualisiert und getestet werden sollen, um dann eine Art »best of« miteinander zu kombinieren und zur Marktreife zu führen. »Dafür ist es wichtig, dass wir in einer umfassenden Kooperation aus Wissenschaft und Wirtschaft zusammenarbeiten, um Forschungsergebnisse und technisches Know-how zur Umsetzung zusammenzubringen«, erklärt Zausch. Beteiligt sind deshalb neben dem Fraunhofer ITWM beispielsweise auch die Hochschule Aalen, Porsche Deutschland, die Trumpf Laser GmbH, das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt, die Firma Precipoint, die SGL Group, die Math2Market GmbH sowie das Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung. Die Projektkoordination übernimmt die Volkswagen AG.

Basis für das Gros der Forschungsarbeiten sind computerbasierte Simulationsmethoden, die unter anderem am Fraunhofer ITWM entwickelt werden. »Wir wollen Möglichkeiten generieren und ausbauen, um das Verhalten und die Eigenschaften der Batterien bei verschiedenen Strukturierungskonzepten vorhersagen zu können«, erklärt Zausch. Dafür nutzen die Forscher spezifische Modelle, die in die vom Fraunhofer ITWM entwickelte Simulationssoftware BEST implementiert werden können. Mithilfe dieses »Battery and Electrochemistry Simulation Tool« wird es möglich, eine physikbasierte, dreidimensionale Simulation der Abläufe in Lithium-Ionen-Batterien durchzuführen. Wichtig ist das in diesem Fall vor allem – weil bei Schnellladevorgängen negative Degradationseffekte auftreten – dass die nun abgebildet und prognostiziert werden können. Degradation führt zu einer Begrenzung der Lebensdauer einer Batterie. Sie soll deshalb möglichst geringgehalten werden.

Poröse Mikrostrukturen

Der Fokus der Fraunhofer Forscher*innen liegt dabei vor allem auf der Simulation in virtuell erzeugten Mikrostrukturen von 50 bis 150µm Größe. »Die Elektroden in den Batterien sind keine festen Blöcke. Sie bestehen aus porösen Schichten mit mikrometer-großen Partikeln«, erklärt Zausch. Und weiter: »Die so entstehenden mikroskopisch kleinen Strukturen führen je nach Aufbau zu komplexen Interaktionen und weisen daher verschiedene Eigenschaften auf. Diese Prozesse wollen wir berechnen und so besser verstehen.« Eine etwas dickere Elektrode ist beispielsweise eher geeignet, Energie zu speichern. Andererseits behindert diese Dicke den Ionentransport und ist damit ein Hindernis, um schnell laden zu können. Die Forschenden könnten nun beispielsweise versuchen, diesen Zielkonflikt aufzulösen, indem sie die Mikrostrukturebene verändern und so zusätzliche Transportwege innerhalb der Elektrode schaffen. »Durch unser Konzept einer engen Verzahnung zwischen Experiment und Simulation erwarten wir auch hier grundlegende Ergebnisse, die andere Projekte dabei unterstützen, die Langlebigkeit, Leistungsfähigkeit und Ladegeschwindigkeit der Akku-Zellen grundsätzlich zu verbessern«, betont Zausch.

Für sein Team vom Fraunhofer ITWM aber stellt sich noch ein weiteres Problem, das sie für structur.e flexibel lösen müssen. Simulationen auf Mikrostrukturebene sollten möglichst dreidimensional dargestellt werden. Das aber ist ausgesprochen rechenintensiv. Immerhin müssen hier Gleichungssysteme mit mehreren Millionen Unbekannten gelöst werden. Auf der anderen Seite aber wäre es nicht effektiv, wenn die Partner immer wieder stunden- oder gar tagelang auf ein Ergebnis warten müssten. »Hier abzuwägen und die Modelle so geschickt zu implementieren, dass aussagekräftige Simulationen errechnet werden, gehört parallel zur eigentlichen Forschung mit zu unseren Aufgaben«, sagt Zausch. Ein wenig ist es so wie bei dem Wunsch nach der eilerlegenden Wollmilchsau: Es müssen Kompromisse gefunden werden. Überall das Optimale erreichbar zu machen, ist kaum möglich.

(bet)

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