GeoDict für Batterien

Digitale Lösungen für Batterien-Forschung und -Entwicklung

Energiespeichersysteme sind für die globale Energiestrategie von entscheidender Bedeutung. Die Batterie ist unser ständiger Begleiter und aus unserem Alltag nicht mehr wegzudenken. Sie findet ihren Einsatz in nahezu allen Utensilien des täglichen Lebens, vom Smartphone bis hin zum Elektroauto.

Alle Einsatzmöglichkeiten haben ihre eigenen Anforderungen an die Eigenschaften der Batterien und unterschiedliche Beanspruchungsprofile, die die Lebensdauer der Batteriematerialien beeinflussen und jeweils ihre eigenen Vor- und Nachteile mit sich bringen.

Besonders bei der aktuellen Transformation in der Mobilität, von fossilen Brennstoffen hin zur Elektromobilität, werden besondere Anforderungen an die Materialien und Speichersysteme gestellt.

Um die Anforderungen an Energiespeicher in Zukunft zu erfüllen bedarf es innovativer Lösungen für

  • fordernde Beanspruchungsprofile
  • die Sicherheit der Batteriemodule
  • die Langlebigkeit
  • umweltfreundlichere und effizientere Materialien
  • die Reduzierung von Größe und Gewicht
  • die Steigerung der Energiekapazität Verstehen wir die zugrundeliegenden Prozesse innerhalb der Batterie, können wir gezielt die Batteriematerialien so komponieren, dass diese die gewünschten Eigenschaften erhalten.

GeoDict ermöglicht es Ihnen Batteriematerialien auf der Mikroebene zu erforschen, zu verstehen und zu verbessern. Erhalten Sie einmalige Einblicke in die grundlegenden Funktionsprozesse und zusammenspiele Ihrer bestehenden Materialien, von digitalen und statistischen Zwillingen und seien Sie dank der 3D-Modellierung von digitalen Prototypen einen Schritt voraus.

GeoDict für Batteriematerialien

Highlights der GeoDict®-Lösung im Überblick

Verbessern Sie Ihre Batteriematerialien für überlegene Ladezeit, Leistung und Lebensdauer.

GeoDict ermöglicht es Ihnen den gesamten Workflow der digitalen Materialentwicklung in einer einfach zu benutzenden Softwarelösung abzubilden. Vom digitalen Zwilling hin zum erfolgreichen digitalen Prototyp, GeoDict gibt Ihnen die passenden Werkzeuge an die Hand. Entwickeln Sie Ihre Batteriematerialien von Morgen ganz nach Ihren Ansprüchen.

Ergänzen Sie kosten- und zeitintensive Experimente durch Simulationen!

Simulationen bieten Ihnen uneingeschränkte Einblicke in die inneren Prozesse und Funktionsweisen Ihres Batteriematerials, die Ihnen Laborexperimente so nicht bieten können. Nutzen Sie die Erkenntnisse aus Simulationen, um Schwachstellen direkt zu erkennen und zu verbessern. Ganz ohne die aufwendige Produktion und Testung von Prototypen.

Treffen Sie eine gezieltere Auswahl an realen Prototypen!

Eine solide Validierung benötigt die Bestätigung der Ergebnisse aus mehreren Quellen, weswegen Laborexperimente sinnvoll und notwendig sind und bleiben werden. Sie können sich aber mit Hilfe von GeoDict Zeit und Kosten für die Herstellung von unnötigen Prototypen und deren Überprüfung sparen, indem Sie anhand von Simulationsergebnissen eine gezielte Vorauswahl an vielversprechenden Prototypen treffen.

Entwickeln Sie Batteriematerialien für höchste Ansprüche – einfach digital!

Mit GeoDict erhalten Sie eine einzigartiges Komplettpaket, das Sie digital von der Materialanalyse hin zur Materialentwicklung unterstützt. Dabei erfüllt GeoDict alle Anforderungen an eine wissenschaftliche Software zur Lösung komplexer Probleme. Dank übersichtlicher und nutzerfreundlicher Oberflächen, zurechtgeschnitten auf die Ansprüche wissenschaftlicher Mitarbeiter und Ingenieure, können Sie sich darauf fokussieren was wichtig ist – die Batteriematerialien von Morgen zu entwickeln.

Digitale Batterieentwicklung mit GeoDict

Nicht zufrieden mit Ihrem Material? Entwickeln Sie anhand der Daten und Ergebnisse mit Hilfe der Materialdesignmodule die nächste Generation Batteriematerialien - einfach, digital. GeoDict bietet Ihnen alle Werkzeuge für den Import, die Bildbearbeitung, die Materialanalyse, die Materialentwicklung und die Eigenschaftsvorhersage Ihrer 3D-Bilddaten, digitalen Zwillinge und digitalen Prototypen in einer übersichtlichen und einfach zu bedienenden Komplet Lösung.

Die Mikrostruktur von Batteriematerialien kann aus 3D-Bildgebungsverfahren wie Mikro-CT und FIB-SEM stammen oder direkt digital von Grund auf modelliert werden, indem die einzigartigen Materialdesignmodulen von GeoDict verwendet werden .

Mit Hilfe umfangreicher Analyse- und Eigenschaftsvorhersagemodulen bestimmen Sie schnell und präzise die Leistung und Charakteristiken Ihres Materials. Dank der detaillierten Visualisierung der quantitativen Simulationsdaten lassen sich alle Details der Ergebnisse leicht untersuchen.

BatteryDict – Das Werkzeug für die Batterieentwicklung

Mit BatteryDict, GeoDicts Eigenschaftsvorhersagemodul für Batteriematerialien und Batteriesysteme, gewinnen Sie neue einzigartige Erkenntnisse über Ihre Batteriematerialien auf der Ebene der Mikrostruktur. Durch die Analyse der Elektronen- und Ionen-Bewegungen innerhalb der Aktivmaterialien (Elektrolyt und Binder) lässt sich das komplexe Zusammenspiel dieser Transportprozesse übersichtlich darstellen und schnell und einfach bewerten. Basierend auf den Erkenntnissen dieser Prozesse kann dann die Weiterentwicklung der Batteriematerialien gezielt vorangetrieben werden. GeoDict bietet mit den Materialdesignmodulen, den Geo-Modulen, die Möglichkeit, diese Erkenntnisse direkt in digitale Materialprototypen umzusetzen und diese dann erneut zu testen.

Überlegene digitale Materialentwicklung:

Mit GeoDicts Materialdesignmodulen, den Geo-Modulen, bieten wir Ihnen die Möglichkeit, Ihre Batteriematerialien zur digitalisieren und zu verbessern.

Nutzen Sie Ihre 3D-Bilddaten als Ausgangspunkt und analysieren Sie direkt auf den Grauwertbildern die Eigenschaften Ihres Materials. Mit dem digitalen Zwilling ihres Materials können Sie dann mit Hilfe von Simulationen präzise Eigenschaftsvorhersagen treffen.

Bei der Entwicklung digitaler Prototypen unterstützen Sie unsere Find-Module (FiberFind, GrainFind) als intelligente Schnittstelle, um Ihre Daten in Informationen zu verwandeln. So können Sie anhand statistischer Informationen über Ihr Batteriematerial, die mit GrainFind oder FiberFind gewonnen wurden, mit GeoDicts Materialdesignmodulen statistische Zwillinge erzeugen. Erkenntnisse aus digitalen Experimenten können Sie direkt in digitale Materialprototypen umsetzen und diese dann erneut testen.

Pre-Validierung Ihres Elektroden-Designs:

BatteryDict bietet Ihnen mit dem Electrode-Designer die Möglichkeit bereits bei der Erstellung der digitalen Batteriezelle problematische Elektroden- und Materialkonfigurationen zu identifizieren. So sparen Sie Zeit, indem Sie nur die digitalen Prototypen testen, die es auch wert sind.

Lade- und Entladeverhalten:

Für die physikbasierte Batteriesimulation wird BEST, das Battery and Electrochemistry Simulation Tool, mit seinen Lösern BESTmicro und BESTmicroFFT eingesetzt. BEST wird seit 2011 am Fraunhofer ITWM in Kaiserslautern von Dr. Jochen Zausch und seinem Team entwickelt. Mit BEST lösen Sie per Simulationen nicht lineare partielle Differenzialgleichungen auf dem Voxelgitter und analysieren den Transport von Elektronen und Ionen innerhalb der Batterie auf der Mikrostrukturebene.

Seit GeoDict 2021 haben Sie nun auch die Möglichkeit den LIR-Löser für Ihre Batterie-Simulationen zu nutzen. Der neue Battery-LIR (BLIR) arbeitet ähnlich wie der BEST-Löser mit dem Newton-Verfahren und den Butler-Volmer-Bedingungen für die effiziente Berechnung zwischen den verschiedenen Materialinterfaces. Diese Erweiterungen werden zugleich auch in Zukunft eine positive Auswirkung auf die Effizienz von Leitfähigkeits- und Strömungsberechnungen haben.

Transportweganalyse:

Wie schnell eine Batterie läd und wie hoch die Kapazität einer Batterie ist hängt eng mit der Effizienz der Materialien der Elektroden zusammen. Mit den Erkenntnissen zum Verlauf der Lithiumströme und Elektronenströme innerhalb der Batteriematerialien lassen sich Engpässe in den Transportwegen und Überpotentiale, die zu Lithium-Plating führen, identifizieren. Sind Abschnitte des Aktivmaterials isoliert und nicht für die Ionen erreichbar, so bleibt die Kapazität der Batterie hinter ihrem Potenzial zurück.

Diese Informationen helfen Ihnen bessere Designentscheidungen zu treffen, um das richtige Design der Batteriematerialien mit den gewünschten Kenngrößen und Eigenschaften zu entwickeln.

Batteriealterung:

Batteriematerialien sind ständigen mechanischen Prozessen ausgesetzt. Die dabei entstehenden Probleme, wie zum Beispiel Verengung der Transportwege und Schädigung des Aktivmaterials, spielen eine wichtige Rolle in der Performance und der Haltbarkeit der Batterie.

Da diese Prozesse eine kritische Rolle bei der Entwicklung von neunen Batteriematerialien spielen, haben wir uns bei der Math2Market, zusammen mit der ETH, die Lösung dieses Problems zum Ziel gesetzt. Daraus ist das öffentlich geförderte Projekt SOLVED! entstanden. Unser Ansatz besteht darin, die Mikrostruktur moderner NMC-Kathoden- und Graphitanoden zu analysieren und die experimentellen Daten zur Validierung von Degradationssimulationen zu verwenden, die lokale volumetrische Veränderungen und Schäden durch Lithiumeinlagerung berechnen. Auf Basis dieses Verfahrens können neue Prototypenmaterialien entworfen und optimiert werden.

GeoDict-Anwender in der Forschung und Entwicklung werden in der Lage sein, die Batteriealterung während der Zyklisierung zu simulieren und optimierte Prototyp-Elektroden zu entwickeln, die eine überlegene Leistung und Lebensdauer aufweisen!

Das GeoDict® Paket für die Batterieentwicklung

Mit dem GeoDict Basispaket für die Grundfunktionalität bilden die folgenden GeoDict Module ein Paket für die Batterien-Forschung und -Entwicklung, das für die Simulation elektrochemischer Prozesse zusammengestellt wurde. Es umfasst sowohl Module zur Bildverarbeitung und -analyse und Materialmodellierungs-Module, um 3D-Modelle zu importieren und zu erstellen, sowie die Module zur Bestimmung der Materialeigenschaften zur Charakterisierung und Vorhersage von Materialeigenschaften.

Modulempfehlungen
Bildverarbeitung und Bildanalyse ImportGeo-Vol
Materialdesign* GrainGeo FiberGeo WeaveGeo
Materialanalyse GrainFind - AI FiberFind - AI PoroDict + MatDict
Simulation von Eigenschaften* DiffuDict ConductoDict FlowDict ElastoDict AddiDict SatuDict

* Welche Module für Sie am besten passen, ist abhängig von der Art Ihrer Anwendung.