GeoDict 2021 Vorschau: Schneller und speichereffizientere Batterielöser (LIR in BatteryDict)

Energiespeicher sind für die globale Energiewende-Strategie ein unerlässliches Werkzeug. Um die Transformation von fossilen Brennstoffen hin zu erneuerbaren Energien erfolgreich zu vollziehen, ist es unumgänglich, die kritischste der Fragen zu lösen: Wie wird die Energie der Zukunft gespeichert und wieder nutzbar gemacht?

Die Gewinnung von erneuerbaren Energien aus Licht, Luft und Wasser stellt uns vor die Herausforderung, die gewonnene Energie im Alltag zur Anwendung zu bringen. Gerade bei der Mobilität werden besondere Anforderungen an die Materialien und Speichersysteme gestellt. Diese müssen möglichst schnell, möglichst viel Energie speichern, sollen diese aber auch wieder schnell abgeben können. Außerdem müssen sie langlebig sein, dürfen nicht viel kosten und einfach zu produzieren sein. Diese Anforderungen an die Batterien von Morgen setzen voraus, dass wir die Batterien von heute besser verstehen. Mit einem Blick auf die Mikrostruktur der Batteriematerialien lässt sich die Performance und Lebensdauer mit Hilfe von Simulationen präzise und in einem Bruchteil der Zeit, die Laborexperimente benötigen, ermitteln.

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 gezielter 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.

Dieser ganzheitliche Materialentwicklungszyklus macht GeoDict einzigartig. Dank unserer engen Kooperationen mit Forschungsinstituten und dem öffentlichen Interesse an der Förderung dieser innovativen Kompetenzen wird die Zukunft der digitalen Materialentwicklung für Batterien GeoDict heißen.

Erfahren Sie im Folgenden, was BatteryDict Ihnen schon heute bietet, was mit GeoDict 2021 möglich sein wird und welche Zukunft Materialentwicklung für Batterien mit GeoDict hat.

Mit BatteryDict in GeoDict 2020 sind Sie derzeit in der Lage, den Lade- und Entladevorgang in Ihrem Elektrodenmaterial zu berechnen. BatteryDict bietet zudem einen Electrode-Designer an, der bei der Erstellung der Batteriezelle unterstützt und bereits vor der Simulation auf problematische Elektroden- und Materialkonfigurationen hinweist. 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. Das Tool löst während den Simulationen nicht lineare partielle Differenzialgleichungen auf dem Voxelgitter und simuliert den Transport von Elektronen und Ionen innerhalb der Batterie auf der Mikrostrukturebene.

Aufgrund der Erkenntnisse zum Verlauf der Lithiumströme und Elektronenströme in der Batterie lassen sich Engpässe in den Transportwegen und Überpotentiale, die zu Lithium-Plating führen, identifizieren. Anhand dieser Informationen kann man die Designs der Mikrostrukturen anpassen und erneut digital testen. So erreicht man iterativ das richtige Design der Batteriematerialien mit den gewünschten Kenngrößen und Eigenschaften.

Die Lade- und Entladeberechnungen finden momentan noch in einem zeitlich stationären Gleichgewichtszustand statt. Die Berücksichtigung von Alterungsprozessen, wie zum Beispiel Materialschädigungen durch thermische und mechanische Effekte während der Lithiumeinlagerung, befindet sich derzeit noch in der Entwicklung. Zudem unterstützen weitere GeoDict Module beim Importieren, der Bildverarbeitung und der Analyse von 3D-Bilddaten von bestehenden Batteriematerialien, sowie bei der Entwickelung von Grund auf neuen Materialien und Materialzusammensetzungen.

Die komplexen Beanspruchungsmuster für eine Batterie und die damit verbundenen Herausforderungen an die Materialien bedürfen einer Lösung, die die aktuelle Nachfrage nach effizienten und schnellen Produkten bedienen kann. Im Bereich Automotive sind die Beanspruchungsmuster von besonderer Komplexität. Die tägliche Fahrt auf die Arbeit allein beinhaltet Stop-And-Go Verkehr durch Ampeln und Stau, eventuell eine hohe Beschleunigung auf der Autobahn, oder Energierückgewinnung durch Abbremsen - und dies ganzjährlich bei den unterschiedlichsten Temperaturen.

Dank interessanter öffentlicher Projekte zum Thema Batteriealterung (SOLVED!) und Lithiumbatterieentwicklung (structur.e) können wir zielgerichtet zusammen mit kompetenten Partnern wie die Volkswagen AG, ETH Zürich uvm. Lösungen entwickeln, die BatteryDict zum Schlüssel für die Batterieentwicklung der Zukunft machen. Mit GeoDict 2021 gehen wir bereits heute den ersten Schritt!

Mit GeoDict 2021 implementieren wir unseren stärksten Solver, den LIR Solver, in BatteryDict. Ursprünglich für Strömungssimulationen entwickelt, wurde der LIR-Solver weiter verbessert, um für thermische Simulationen eingesetzt werden zu können. Und nun auch für Batteriesimulationen. Der LIR-Löser arbeitet auf einem adaptiven Gitter, dessen Auflösung sich an die Komplexität des Materials anpasst. Dadurch wird die Berechnungsgeschwindigkeit für Simulationen drastisch erhöht und gleichzeitig der Speicherverbrauch deutlich gesenkt. Die Simulationsergebnisse stehen also in kürzester Zeit zur Verfügung, wobei die Qualität der Ergebnisse auf dem gewohnt hohen Niveau von GeoDict bleibt.

Der neue Battery-LIR (BLIR) arbeitet ähnlich wie BEST mit Newton-Verfahren und 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.

BLIR wird dabei aber BEST nicht ersetzen, sondern BatteryDict bereichern. Durch die langjährige und solide Zusammenarbeit zwischen der Math2Market GmbH und dem Fraunhofer ITWM bauen wir auf einen freundschaftlichen und gesunden Wettbewerb zwischen den beiden Lösern. Neue Simulationsfeatures, wie etwa die Simulation von Festkörperbatterien, werden bereits für den BEST entwickelt und dort auch zuerst verfügbar sein. Dagegen ist der BLIR bereits für die zukünftigen Entwicklungen von Alterungseffekten infolge von Materialschädigungen durch thermische und mechanische Effekte in GeoDict ausgelegt worden. Pro Zeitschritt können dabei weitere GeoDict Module während der BLIR Simulation kombiniert werden, die miteinander interagieren und somit realistischere Simulationen ermöglichen.

Im Vergleich zwischen BLIR und BESTmicro gibt es in GeoDict 2021 beim Featureumfang nur wenige Unterschiede. Der größte Unterschied ist die Möglichkeit porösen Binder in BESTmicro zu berechnen. Auf der anderen Seite ist der BLIR bei der Berechnungsgeschwindigkeit größerer Mikrostrukturen bereits dem BEST voraus. Ab einer Microstrukturgröße von 200³ Voxel sind die Vorteile des BLIR bereits erkennbar. Je größer die Microstruktur ist, desto wahrnehmbarer wird auch der Geschwindigkeitsvorteil des BLIR gegenüber dem BESTmicro. Durch das effizientere Speichermanagement des BLIR lassen sich auch insgesamt höher aufgelöste Mikrostrukturen problemlos berechnen.

• Anisotrope Materialkoeffizienten der Aktivmaterialien
• Alterungseffekte bedingt durch Lade- und Entladezyklen
• Poröser Binder
• Lithium-Plating und SEI-Bildung
• Festkörperbatterien