Akkumulatoren sind die Achillesferse der Elektromobilität. Ohne eine deutliche Verbesserung ihrer Performance könnte der Verbreitung von Stromern der Saft ausgehen. Doch die Weiterentwicklung von Akkus für Elektrofahrzeuge ist kompliziert und teuer – insbesondere was das Testen verschiedener Modifikationen betrifft. Am Fraunhofer ITWM haben Forscher deshalb ein Simulationstool entwickelt, mit dem die Prozesse in einem Akkumulator besser nachvollzogen werden können. 

»Ist Ihr Akku aufgeladen?« Der Ihres Smartphones, Ihrer Kamera, des Laptops und am Ende sogar schon Ihres Elektrofahrzeugs? Akkus stehen vielleicht nicht im Mittelpunkt moderner technischer Errungenschaften. Aber sie sind ihr Leistungszentrum. Vor allem die energiestarken Lithium-Ionen-Akkumulatoren sorgen milliardenfach für Sicherheit, Komfort und Antrieb. Dabei ist die Idee einer Li-Ionen-Batterie keine Erfindung dieses Jahrtausends. Bereits vor über 25 Jahren wurden entsprechende Leistungszellen erfolgreich auf den Markt gebracht. Das Grundprinzip dabei ist immer das gleiche: Positiv geladene Lithium-Ionen werden über eine Elektrolytlösung zwischen den Elektroden der Batterie ausgetauscht. Ähnlich leicht wie die Wirkungsweise ist auch der Erfolg zu erklären: Ein solche Energiezelle schafft Freiheiten und genügt dem zumindest im Consumer-Bereich ›geringen‹ Anspruch an seine Leistungsfähigkeit. Zumal er problemlos und kostengünstig ausgetauscht werden kann, wenn die ein oder andere Zelle altersschwach geworden ist.

Entwicklung von Akkus

Doch je vielfältiger der Einsatz, desto größer auch die Palette der eingesetzten Akkus: »Moderne Akkumulatoren zeichnen sich unter anderem durch unterschiedliche Charakteristiken in Bezug auf Zellpotenzial, Kapazität und das Degradationsverhalten aus«, analysiert Jochen Zausch vom Fraunhofer-Institut für Techno- und Wirtschaftsmathematik ITWM. Das Degradationsverhalten bezeichnet hier die Verschlechterung der Leistung entlang der Zeitachse. Auch die Unterschiede bei der Form einer Batterie haben stark zugenommen: Beispielsweise werden Zellen als zylindrische, prismatische oder Pouch-Ausführung mit besonders einfacher Hülle entwickelt. So etwa haben letztere oft keinen festen metallischen Mantel. Zudem sind die Dicken der Elektrodenschichten sowie deren mikroskopische Struktur teils sehr unterschiedlich.

So weit, so vielfältig, so – vergleichsweise – problemlos. »Schwierig wird die Weiterentwicklung der Akkumulatoren aber vor allem dann, wenn Speicherkapazitäten im Bereich von 100 kWh und mehr gefordert werden«, so Zausch. So, wie das bei aktuellen Elektrofahrzeugen der Fall ist. Schwierig werde es zudem, wenn die Batterien eine möglichst kurze Ladedauer überstehen sollen, maximale Resistenz gegen Umwelteinflüsse aufweisen müssen und zuverlässige Sicherheit von den Akkus gefordert wird.

Mit dem Anspruch, für unsere Mobilität künftig elektrischem (Akku-)Strom zu nutzen, steht nun auch die Forschung zu geeigneten Akkumulatoren selbst unter Strom. Und die Verschiedenartigkeit der Energiezellen im Detail macht die Situation nicht gerade leichter. »Wir dürfen uns beispielsweise die Elektroden nicht als einfaches Stück Metall vorstellen, sondern müssen die Mikroebene analysieren. Die dann erkennbare Porosität und die Mikrostrukturen sind mitentscheidend für die Leistung und Haltbarkeit einer modernen Batterie für ein Elektrofahrzeug«, erklärt Zausch. Untersuchungen beispielsweise mit dem Elektronenmikroskop aber zeigen in der Regel nur den Status Quo und nicht den Betrieb des jeweiligen Akkus. Auch die Haltbarkeit und das Degradationsverhalten lassen sich nur in aufwändigen Experimenten untersuchen.

Mikroskopische Simulation der ladezustandsabhängigen Deformation einer Einzelelektrode. Bild: Fraunhofer ITWM

Simulationen zeigen elektrochemische Prozesse in Batterien

Zausch und sein Team arbeiten deshalb an Möglichkeiten, die diversen Vorgänge in den Akkumulatoren so exakt wie möglich zu simulieren. So kann beispielsweise geklärt werden, warum bei einzelnen Zellen eine Seitenreaktion beginnt, bei der metallisches Lithium an der Elektrode abgeschieden wird. Denn durch dieses »Lithium-Plating« wird die Leistungsfähigkeit der Batterie merklich gedämpft. Oder es kommt sogar zum Brand. Gerade im Winter, wenn ein Elektroauto mit hohen Strömen betankt werden soll, ist dieser Effekt gefürchtet. Die Batterie muss deshalb entsprechend langsamer geladen werden. »Hier und in anderen Bereichen verschiedene Varianten von Elektroden real zu testen, wäre deutlich zu aufwändig und teuer«, sagt Zausch. Über die – auf die individuelle Fragestellung eines Kunden angepasste – Simulation aber sei es beispielsweise möglich, die virtuellen Mikrostrukturen der Elektroden gezielt zu verändern. Auch könne die virtuelle Schichtdicke beliebig variiert werden. Mit Hilfe der Simulation lassen sich so die Auswirkungen von Mikroereignissen auf die aktuelle Leistungsfähigkeit und auch über die Zeit besser nachempfinden.

Ergebnis einer Simulation auf der Skala der Elektrodenmikrostruktur; dargestellt ist die Ionenkonzentration in den ellipsoiden Aktivpartikeln sowie der Ionenstrom im Aktivmaterial (blaue Pfeile von rechts nach links). Bild: Fraunhofer ITWM

Mathematische Beschreibung der Lithium-Wanderung

»Die Variantenvielfalt der Akkus und die möglichen Einflüsse auf die Leistungsfähigkeit sind so unterschiedlich, dass wir aus den Simulationen zwar keine grundsätzlichen Aussagen ableiten können, um beispielsweise eine allgemeingültige Verbesserungsformel aufzustellen«, sagt Zausch. Wohl aber ist es möglich, Problemstellen so zu identifizieren, dass Akku-Hersteller gezielt an Verbesserungen arbeiten können.

Seinen Kunden bietet das Fraunhofer ITWM zwei verschiedene Möglichkeiten an, die im Haus definierten mathematischen Beschreibungen der Prozesse und die daraus entwickelte Software einzusetzen: Zum einen durch die Beauftragung von Simulationsstudien am Institut. Und zum anderen durch den Erwerb einer Lizenz für das eigene Labor. Die Software ist bereits seit einigen Jahren bei Kunden rund um den Globus erfolgreich im Einsatz. Nun arbeiten die Forscher noch daran, die Simulation von Alterserscheinungen bei den Batterien zu verbessern und die Performance zu optimieren. (hen)

Mehr zum Thema erfahren Sie auf der Hannover Messe in der Halle 6 am Stand A30 »Digital Solutions and New Materials«, wo auch das Fraunhofer ITWM seine Lösungen präsentieren wird.

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