Modellieren & Simulieren von Li-Ionen Batterien
BatteryDict
BatteryDict ist das GeoDict-Modul zur Modellierung von Batteriezellen und zur Simulation der elektrochemischen Vorgänge in Li-Ionen-Batterien. Für die elektrochemischen Simulationen können Löser (Solver) sowohl für voll aufgelöste (mikroskalige) als auch für schnelle (mesoskalige) Simulationen verwendet werden.
Der LIR-Löser, entwickelt von der Math2Market, und der BEST-Löser (Battery and Electrochemistry Simulation Tool) des Fraunhofer Instituts für Techno- und Wirtschaftsmathematik (ITWM) sind in GeoDict implementiert.
Die Ladekurve bei einer vom Anwender gewählten Ladegeschwindigkeit oder einem vom Anwender gewählten Ladepotenzial wird ermittelt und mit der entsprechenden Gleichgewichtskurve verglichen. Die Kurven werden in der Zusammenfassung der Simulationsergebnisse angezeigt.
BatteryDict analysiert auch die Mikrostruktur von Batteriematerialien und zeigt inaktive Bereiche in Material und Elektrolyt an.
BatteryDict Befehle:
- Design Battery - Batteriestrukturen modellieren
- Analyze Battery - Batteriestrukturen analysieren
- Charge Battery - Laden und Entladen einer Batterie simulieren
- Charge Half Cell - Laden und Entladen von Halbzellen simulieren
- Degradation - Mechanische Spannung und Dehnung aufgrund von Lithiumeinlagerungen bei elektrochemischen Vorgängen berechnen
BatteryDict Anwendungsbeispiele:
- Erkennen Sie inaktives Material in der Zelle.
- Simulieren Sie die unterschiedlichen Randbedingungen (entweder vorgegebene Laderaten oder vorgegebene Potentiale).
- Bestimmen Sie die Kapazität der verbundenen Batteriestruktur.
- Ermitteln Sie die Leistungsfähigkeit der Batterie durch den Vergleich des Zellpotentials im Ladezustand mit der Ruhespannung.
- Beobachten Sie die Veränderungen der Li-Ionen-Konzentration in jedem Partikel während des Ladevorgangs.
- Beobachten Sie die mechanische Spannung und Dehnung bei der Lithiumeinlagerung, um den mechanischen Verschleiß der Struktur zu erkennen.
GeoDict News
BatteryDict Funktionen und Befehle
Batteriestrukturen modellieren
Der Befehl Design Battery erzeugt digitale Batteriematerialien mit in GeoDict erstellten Materialmodellen. Der Abstand und die Ausrichtung der Elektroden werden angegeben, um die Zellgeometrie zu bestimmen. Dazu gehören die Anzahl und die Lage aller Zellkomponenten und der unverbundenen Komponenten, die die Energiedichte der Zelle verringern.
Die folgenden Parameter und Materialien können digital definiert und verändert werden:
- Anodenmaterial
- Kathodenmaterial
- Separator
- Lithium-Reservoir als Gegenelektrode
- Stromkollektor auf Anoden- und Kathodenseite
Batteriestrukturen analysieren
Die Befehl Analyze Battery prüft das digitale Batteriemodell auf verbundene und unverbundene Materialien und zeigt die unterschiedlichen Volumenanteile in Anode und Kathode an. Mit Analyze Battery wird die Batterie geprüft, um die Menge von unverbundenem Material zu reduzieren. Außerdem läßt sich hiermit die korrekte Balance zwischen Kathode und Anode prüfen.
Batterie-Ladesimulation auf der Mikro-Skala
Der Befehl Charge Battery bietet drei Löser für vollständig gelöste Batterieladesimulationen auf der Mikroskala.
Der LIR Löser in BatteryDict legt den Schwerpunkt auf schnelle und speichereffiziente Ladesimulationen, wodurch er für Simulationen auf großen Strukturen erforderlich ist.
Zwei weitere im Bereich der Batteriesimulation bekannte und am Fraunhofer ITWM entwickelte Löser ermöglichen die Verwendung konzentrationsabhängiger Parameter in der voll aufgelösten, mikroskaligen Batterieladesimulation:
- BESTmicro (neu seit GeoDict 2023) und
- BESTmicro (Legacy-Version von BESTmicro, Standard bis GeoDict 2022).
Die Zusammenführung dieser beiden Software-Tools GeoDict und BEST war ein logischer Schritt nach langen Jahren der parallelen Entwicklung. Als Ergebnis können viele der Funktionalitäten von BESTmicro, wie z.B. konzentrationsabhängige Parameter, genutzt werden, ohne die komfortable Umgebung von GeoDict zu verlassen.