How to Simulate Battery Degradation

Das Tutorial „How to simulate battery degradation“ bietet einen praxisnahen Einblick in die Simulation mechanischer Degradation von Batterieelektroden mit BatteryDict Degradation. Anhand einer digitalen Batteriezelle wird gezeigt, wie sich die durch Lithium-Interkalation verursachten Volumenänderungen aktiver Materialien und deren Auswirkungen auf die Mikrostruktur untersuchen lassen. Ausgangspunkt sind dabei zuvor erzeugte bimodale Anoden- und Kathodenstrukturen, die zu einer vollständigen digitalen Batteriezelle zusammengesetzt werden.

Im Fokus steht der Workflow von der Definition der mechanischen Materialeigenschaften über die elektrochemische Ladesimulation bis hin zur anschließenden Degradationssimulation. Dabei werden Spannungen, Dehnungen und Verformungen innerhalb der Elektroden berechnet und dreidimensional ausgewertet. Am Beispiel einer Graphitanode wird zudem der Zusammenhang zwischen lokaler Lithiumkonzentration und mechanischer Spannung veranschaulicht. Das Tutorial richtet sich an Anwender, die elektrochemisch-mechanische Wechselwirkungen in Batteriemikrostrukturen untersuchen und deren Einfluss auf die mechanische Degradation besser verstehen möchten.

• Grundlagen der elektrochemisch-mechanischen Batteriesimulation: Verständnis der Volumenänderungen aktiver Materialien durch Lithium-Interkalation und deren Einfluss auf Mikrostruktur, mechanische Belastung und Degradation von Batterieelektroden.
• Aufbau einer digitalen Batteriezelle: Erstellung einer vollständigen 3D-Batteriestruktur aus bimodalen Anoden- und Kathodenstrukturen sowie Separator und Stromkollektoren.
• Materialien und mechanische Eigenschaften: Definition geeigneter Materialien und Materialgesetze für aktive Materialien, Binder, Separator und Stromkollektoren sowie Berücksichtigung von Elastizität und lithiuminduzierter Expansion.
• Lade- und Degradationssimulation: Durchführung einer elektrochemischen Ladesimulation und Nutzung der berechneten Lithiumkonzentrationen als Grundlage für die anschließende mechanische Degradationssimulation.
• Analyse von Spannungen und Dehnungen: Berechnung und 3D-Visualisierung von Verformungen, Von-Mises-Spannungen und -Dehnungen sowie Untersuchung des Zusammenhangs zwischen lokaler Lithiumkonzentration und mechanischer Belastung.
• Praktische Anwendung der Workflows in GeoDict mit BatteryDict Degradation.