Die Entwicklung neuer Batteriematerialien ist eine große Herausforderung, da die gewünschten Eigenschaften einander häufig widersprechen. Aufbauend auf dem Battery and Electrochemistry Simulation Tool „BEST" erlaubt BatteryDict das digital entwickelte Batteriematerial direkt in einer Ladesimulation zu testen. Im Vergleich zu dem etablierten BestMicro-Löser, liegt hinter BatteryDict der auf schnellen Fourier-Transformationen basierende Löser BESTMicroFFT. Dieser Löser erlaubt die Untersuchung größerer Strukturen als der bisherige BestMicro-Löser.

Die Transportwege spielen für die Performanz des Elektrodenmaterial eine große Rolle (Quelle Fotografie: https://www.stuttgarter-zeitung.de)

Die Entwicklung neuer Batteriematerialien ist eine große Herausforderung, da die gewünschten Eigenschaften einander häufig widersprechen. So ist zum Beispiel eine schnellladefähige Batterie im Allgemeinen nicht in der Lage, große Mengen Ladung zu speichern. Umso wichtiger ist es, die Materialien für Batterien so zu designen, dass sie für die gewünschte Anwendung geeignet sind.

Wie in einer Stadt, in der das Zusammenspiel der Verkehrsinfrastruktur - Straßen für den Autoverkehr, Gehwege für Fußgänger, Schienen für den Schienenverkehr - die Effizienz der Stadt bestimmen, so wird auch in einem Elektrodenmaterial die Performanz einer Batterie durch die vorhandenen Transportwege festgelegt. Das bedeutet, dass sich in einem Elektrodenmaterial die einzelnen Teilchen, Elektronen, gelöste Lithium-Ionen und gebundenes Lithium nur auf jeweils für sie vorgesehenen Transportwegen bewegen. 

So, wie sich Autos nur auf Straßen und Fußgänger nur auf Gehwegen fortbewegen, so können sich Lithium-Ionen nur in dem mit Elektrolyt gefüllten Porenraum bewegen. Elektronen hingegen können sich nur im Aktivmaterial und in dem noch besser leitenden Bindermaterial bewegen. Es ist daher klar, dass bei der Entwicklung neuer Batteriematerialien der Aufbau der Mikrostruktur eine entscheidende Rolle spielt. Die Kernkompetenz von GeoDict liegt seit jeher in der Untersuchung des Aufbaus der Mikrostruktur sowie deren Manipulation. Allerdings fehlte bisher der Rückschluss, wie sich dieser Aufbau auf die Performanz einer Batterie auswirkt.

Aus diesem Grund wurde im Herbst 2017 mit dem Release von GeoDict 2018 das neue Modul BatteryDict eingeführt, um diese Lücke zu schließen. Aufbauend auf dem Battery and Electrochemistry Simulation Tool „BEST“, welches seit Jahren am Fraunhofer Institut für Techno- und Wirtschaftsmathematik (ITWM) entwickelt und erfolgreich eingesetzt wird, erlaubt BatteryDict das digital entwickelte Batteriematerial direkt in einer Ladesimulation zu testen. Im Vergleich zu dem etablierten BestMicro-Löser, liegt hinter BatteryDict der auf schnellen Fourier-Transformationen basierende Löser BESTMicroFFT. Dieser Löser erlaubt die Untersuchung größerer Strukturen als der bisherige BestMicro-Löser.

Als Ergebnis erhält man in BatteryDict eine Ladekurve, in der das Zellpotential über dem Ladezustand in Prozent angezeigt wird. Ausserdem bekommt man direkt Teile der Struktur angezeigt, die keine Verbindung zum Rest der Struktur haben. Solche Teile können nicht zur Kapazität beitragen und sind daher unerwünscht. Besonders wertvolle Informationen bietet die dreidimensionale Lithiumkonzentration, die zu jedem Ladezustand ausgegeben wird. Mit deren Hilfe lässt sich erkennen, wo in der Struktur Engpässe bei den Transportwegen existieren. Solche Engpässe werden als Überpotential bezeichnet. Ähnlich einem Stau auf der Autobahn, stauen sich hier Lithium-Teilchen und verhindern so ein effektives Arbeiten der Batterie.

Für GeoDict 2019 (Release im Herbst 2018) sind einige neue Features in BatteryDict verwirklicht worden. Die wichtigste Neuerung ist sicherlich die Einführung weiterer Material IDs. So kann BatteryDict nun mit Binder oder weiteren Aktivmaterialien in Elektroden umgehen. Da der Binder Elektronen besonders gut leitet, spielt dessen Verteilung eine große Rolle bei der Untersuchung der Transporteigenschaften. Damit wird auch das Ladeverhalten der Batterie realistischer abgebildet.

Ein besonders interessantes Thema bei der Entwicklung von Batterien ist auch deren Lebensdauer. Die Einführung weiterer Material IDs ist ein erster Schritt auf dem Weg zur Untersuchung der Lebensdauer. Mehrere Material IDs ermöglichen später unter anderem auch die Verknüpfung mit den mechanischen Eigenschaften einer Elektrode unter Berücksichtigung des Binders. Diese mechanischen Eigenschaften wiederum, spielen eine wichtige Rolle für die Schädigung durch Risse in den Partikeln des Aktivmaterials. Auch bei der Bildung der SEI-Schicht (Solid Electrolyte Interphase-Schicht) und deren wiederholten Aufbrechens und Neubildens ist es notwendig mehrere Material-IDs zu betrachten.