GeoDict 2023: Schnelle Ladesimulationen mit homogenisiertem Modell ermöglichen umfangreiche Studien zu mikrostrukturellen Parametern

Die Einflüsse von Veränderungen im mikrostrukturellen Design auf die Leistung von Zellen sind von entscheidender Bedeutung für die effektive Gestaltung mikrostruktureller Materialien. Um diese Effekte präzise zu erfassen, erweisen sich Parameterstudien als äußerst wertvolles Werkzeug. Hierbei werden gezielt verschiedene Parameter, wie beispielsweise Korngröße und -form, systematisch variiert. Eine unverzichtbare Voraussetzung für derartige Untersuchungen sind schnelle Simulationen des Batterieladevorgangs.

Bisher basierten die Batterieladesimulationen in BatteryDict auf einer vollständigen 3D-Auflösung. Die Simulation eines kompletten Ladezyklus mittels dieser Methode kann, abhängig von der Größe der zu analysierenden Struktur, bis zu einer Woche in Anspruch nehmen. Es ist offenkundig, dass die Geschwindigkeit dieser Simulationen für Parameterstudien erheblich gesteigert werden musste.

Die Lösung für das Laufzeitproblem besteht nun in den homogenisierten Ladesimulationen, die wir in GeoDict 2023 BatteryDict integriert haben. Mit dieser bahnbrechenden Neuerung konnten wir das Laufzeitproblem erheblich reduzieren. Homogenisierte Simulationen ermöglichen es, die Simulationszeit auf ein absolutes Minimum von nur wenigen Minuten zu reduzieren. Dieser Durchbruch wurde durch die Integration des bewährten BESTmeso-Lösers des Fraunhofer ITWM sowie der automatischen Berechnung der effektiven Parameter für das homogenisierte Modell aus der vollaufgelösten Mikrostruktur in GeoDict 2023 erreicht.

BESTmicro-Löser in GeoDict 2021: Bis zur Version GeoDict 2021 war der hauptsächliche Löser für die Simulation des Ladens von Li-Ionen-Batteriezellen der BESTmicro-Löser. Dieser wurde am Fraunhofer ITWM entwickelt und nutzte neben der Abbildung der Ionen- und Elektronentransportprozesse in der Elektrode die Butler-Volmer-Gleichung in 3D, um das Laden von Zellen oder Elektroden zu simulieren. Dabei wurden Ergebnisse wie Ladekurven und 3D-Felder für Li-Ionen-Konzentration und Stromdichte erzeugt.

LIR-Löser in GeoDict 2022: In GeoDict 2022 wurde der GeoDict-interne LIR-Löser so angepasst, dass er nicht nur Strömungs- und Diffusionsprozesse, sondern auch 3D-aufgelöste Ladesimulationen von Li-Ionen-Batterien ermöglichte. Dieser LIR-Löser lieferte dieselben Ergebnisse wie der BESTmicro, benötigte jedoch nur etwa 10% der Simulationszeit und verbrauchte dreißigmal weniger RAM. Das ermöglichte erstmals das Laden einer Zelle in ihrer gesamten Dicke im Mikrometermaßstab zu simulieren.

BEST(:er)-micro-Löser in GeoDict 2023: In GeoDict 2023 wurde die neue Implementierung des BESTmicro-Löser aufgenommen. Im Vergleich zum alten BESTmeso-Löser wurde der RAM-Verbrauch stark reduziert sowie die Laufzeit optimiert. Seit GeoDict 2023 können Benutzer mit dem BESTer-micro-Löser konzentrationsabhängige Parameter für den Elektrolyten in der Simulation einstellen.

BESTmeso-Löser in GeoDict 2023: In GeoDict 2023 wurde der bewährte BESTmeso-Löser des Fraunhofer ITWM integriert. Dieser verwendet ein Pseudo-2D-Newman-Modell, das naturgemäß viel schneller ist als vollaufgelöste Mikrostruktur-Simulationen. Die Ergebnisse der homogenisierten Simulationen sind zwar auf effektive Ladekurven beschränkt, eignen sich jedoch hervorragend für systematische Parameterstudien.

Vollaufgelöste Ladesimulationen vs. homogenisierte Ladesimulationen: Vollaufgelöste Ladesimulationen sind nach wie vor die Methode der Wahl, wenn detaillierte lokale Informationen über Prozesse in der Mikrostruktur während des Ladens erforderlich sind. Die 3D-Felder im Nano- bis Mikrometermaßstab ermöglichen die Identifizierung von Transportengpässen und sind entscheidend für die Untersuchung von Degradationsmechanismen.

Die Integration einer homogenisierten Ladesimulation mit Hilfe des BESTmeso-Lösers in GeoDict 2023 erweitert das Angebot von BatteryDict und bietet eine interessante Ergänzung zu BESTmicro und dem LIR-Löser, je nach den spezifischen Anforderungen und Untersuchungsebenen.

Die notwendigen Eingangsparameter für eine homogenisierte Ladesimulation umfasst die elektrochemischen Parameter der verwendeten Materialien, ähnlich wie bei den vollaufgelösten Mikrostruktur-Simulationen, sowie zusätzliche effektive Parameter, die aus der Mikrostruktur der Elektrode abgeleitet werden müssen. Dazu gehören insbesondere die durchschnittliche Partikelgröße der aktiven Materialien und der Umfang der aktiven Oberfläche. Normalerweise muss der Benutzer diese Größen entweder kennen oder, noch schwieriger schätzen, wenn er eine 1D-Ladesimulation mit dem Newman-Modell durchführt.

In GeoDict ist es jedoch nicht nur möglich, diese Größen manuell für eine Struktur zu berechnen, sondern auch automatisiert in BatteryDict, wenn Sie die homogenisierte Ladesimulationen auswählen. Der Benutzer gibt einfach die gleichen Parameter wie für die vollaufgelöste Simulation ein und lädt eine Elektrodenstruktur in GeoDict hoch. Innerhalb weniger Minuten liefert BatteryDict eine Ergebnisdatei mit Ladekurven zurück, die z.B. das Potenzial über den Ladezustand veranschaulichen.

Mit GeoDict können leicht dieselben Ladeparameter mit verschiedenen Mikrostrukturen getestet werden, z.B. durch automatisierte Skripte. So kann das Verhalten von verschiedenen Strukturenn unter denselben Bedingungen untersucht werden. Dies erleichtert den Übergang zwischen den verschiedenen Lösern erheblich und ermöglicht eine einfache Automatisierung von Simulationen, insbesondere für Parameterstudien.