Modellierungs- & Simulationssoftware für Li-Ion Batterien

Die Anforderungen an moderne Lithium-Ionen-Batterien sind hoch: mehr Energiedichte, kürzere Ladezeiten, höhere Sicherheit und längere Lebensdauer. Gleichzeitig erschweren Phänomene wie Degradation, Wärmeentwicklung, Lithium-Plating oder neue Konzepte wie Festkörperbatterien die Entwicklung.

Das GeoDict-Modul BatteryDict liefert hierfür die digitale Lösung: Es ermöglicht die Modellierung kompletter Batteriezellen sowie die Simulation elektrochemischer Zyklen – wahlweise mit detailreichen 3D-Simulationen oder schnellen homogenisierten Berechnungen für umfassende Analysen. Neben Lithium-Ionen-Systemen lassen sich mit dieser Technik auch Natrium-Ionen-Batterien realistisch modellieren und simulieren. 

Dafür stehen zwei leistungsstarke Solver zur Verfügung:

• Den LIR-Solver, entwickelt von Math2Market
• Den BEST-Solver (Battery and Electrochemistry Simulation Tool) des Fraunhofer-Instituts für Techno- und Wirtschaftsmathematik (ITWM)

Mit BatteryDict lassen sich Batterie-Performance, Sicherheit und Lebensdauer zuverlässig vorhersagen und optimieren. Das Ergebnis: kürzere Entwicklungszeiten, geringere Kosten und beschleunigte Innovationen in der Batterietechnologie.

Elektrochemische und Thermische Analysen

• Erstellung von Lade-/Entladekurven unter benutzerdefinierten Randbedingungen (Konstantstrom, Konstantspannung, Leistungsdichte, Laderaten).
• Vergleich des simulierten Zellpotentials mit der Leerlaufspannung, um Überpotentialanteile zu identifizieren und die Batterieleistung zu bewerten.
• Berechnung der Wärmeleistung, die während des Zyklierens durch Überpotentiale entsteht.
• Beobachtung von Relaxationsprozessen und Li-Ionen-Konzentrationsänderungen innerhalb von Partikeln während des Ladens.

Material- und Degradationsstudien

• Analyse mechanischer Spannungen und Dehnungen während der Interkalation zur Vorhersage der Degradation.
• Abschätzung des Risikos von Lithium-Plating unter verschiedenen Ladebedingungen.
• Durchführung von Halbzellenstudien zur Untersuchung des elektrochemischen Verhaltens einzelner Kathoden- und Anodenmaterialien.

• Identifizierung und Visualisierung inaktiver Bereiche in der Zellstruktur.
• Bestimmung der verbundenen Kapazität von Batteriestrukturen.
• Modellierung von Festkörperbatterien.

Erstellung digitaler Batteriemodelle mit präziser Kontrolle über:

• Anodenmaterial
• Kathodenmaterial
• Separator
• Lithium-Reservoir als Gegenelektrode
• Stromsammler (anoden- und kathodenseitig)
• Abstand und Ausrichtung der Elektroden

Bewertung digitaler Batteriemodelle zur:

• Identifizierung verbundener und unverbundener Materialien
• Anzeige der Volumenanteile in Anode und Kathode
• Überprüfung der korrekten Ausbalancierung zwischen Kathode und Anode
• Reduzierung unverbundenen Materials für verbesserte Energiedichte

Simulation von Batterie-Lade- und Entladevorgängen mit mehreren Solver-Optionen. Alle Solver unterstützen konzentrationsabhängige Parameter:

• LIR-Solver: Schnell und speichereffizient für große Strukturen
• BESTmicro: Funktionsreicher Solver mit neuesten akademischen Innovationen wie elektrochemische Impedanzspektroskopie (EIS)

• BESTmeso: erweitertes P2D Newman-Modell unter Verwendung berechneter effektiver Parameter direkt aus der Mikrostruktur
• Einfache Berechnung aller effektiven Parameter für Ihre eigenen P2D Newman-Modelle aus der Mikrostruktur
• Schnellere Ausführung mit geringerem Speicherbedarf
• Ideal für große Strukturen, bei denen lokale Variationen weniger kritisch sind

Simulation der Lithiierung und Delithiierung von Elektroden in Halbzellenkonfigurationen.

Das BatteryDict-Degradation Add-on:

• Verwendet den mechanischen FeelMath-Solver
• Berechnung von Spannungen und Dehnungen in einer Batteriestruktur durch Lithiuminterkalation
• Visualisierung der Volumenänderungen während des Zyklierens
• Identifizierung von Spannungs- und Dehnungsmaxima
• Unterstützung bei der Optimierung von Elektrodenstrukturen
• Hilfe bei der Reduktion von mechanischer Degradation
• Verlängerung der erwarteten Lebensdauer von Elektroden