Ruprecht-Karls-Universität Heidelberg

Die Erforschung von Materialien für Lithium-Ionen-Batterien ist an der Universität Heidelberg in den Fakultäten für Physik und Astronomie sowie für Mathematik und Informatik angesiedelt. Während in der AG von Prof. Rüdiger Klingeler am Kirchhoff-Institut für Physik bzw. dem Centre for Advanced Materials die Synthese sowie die Zusammenhänge zwischen Syntheseparametern, Morphologie/Größe und Struktur zu den elektrochemischen und elektronischen Eigenschaften von Batteriematerialien experimentell erforscht werden, beschäftigt sich die AG von Dr. Thomas Carraro mit der Entwicklung numerischer Methoden für Simulationen mit elektrochemischen Anwendungen.

 

Die AG Klingeler am Kirchhoff-Institut für Physik der Ruprecht-Karls-Universität Heidelberg arbeitet in der Material-orientierten experimentellen Festkörperphysik und besitzt umfangreiche Expertise in der Erforschung der elektronischen, strukturellen und elektrochemischen Eigenschaften neuer Materialien. Im Rahmen einer BMBF-Nachwuchsgruppe in der Batterie-Initiative LIB 2015 wurde ein Labor zur Materialforschung für Lithium-Ionen-Batterien etabliert. Dabei stehen insbesondere die Synthese relevanter Elektrodenmaterialien, die Aufklärung der Wachstumsprozesse und die Kontrolle von Größe, Form und Agglomerationsverhalten im Zentrum der Arbeiten. Ein Beispiel für die Untersuchung des Einflusses der Syntheseparameter auf Größe, Form und Agglomerationsverhalten und letztlich die elektrochemische Performance sind LiMnPO4 Nanostrukturen, bei denen Primärpartikelgrößen zwischen 10 mm und 100 nm und die Morphologie durch die Auswahl der Syntheseparameter kontrolliert werden. Die Synthese und der Effekt von Additiven auf die Morphologie sowie Nukleations- und Wachstumsprozesse wurden an Li(Mn/Co/Ni)PO4 Nanostrukturen experimentell untersucht und theoretisch modelliert. Weitere relevante Arbeiten betreffen die Zusammenhänge zwischen Syntheseparametern, Morphologie/Größe und Struktur und den elektrochemischen und elektronischen Eigenschaften in Vanadaten, Anatase-Nanostrukturen, LiMn1-xNixPO4, oder hierarchisch strukturierten Kohlenstoff-Konversionsmaterial-Nanokompositen und MoS2-Kompositmaterialien. Die Synthese und Untersuchung von Einkristallen LiMnPO4 zur Bestimmung grundlegender Materialparameter und spektroskopische Studien zu LiCoPO4 sind Arbeiten im weiteren Umfeld des Projektes. 

 

Am Institut für Angewandte Mathematik beschäftigt sich die Gruppe von Dr. Carraro mit der Entwicklung numerischer Methoden für Simulationen mit elektrochemischen Anwendungen. Insbesondere wurde im Zeitraum 2010-2013 im Rahmen des DFG-Projektes „Modellierung, Simulation und Optimierung der Mikrostruktur mischleitender SOFC-Kathoden (RA 306/17-1,2)“ in Kooperation mit der Gruppe von Frau Prof. Ivers-Tiffée (IAM-WET, KIT) eine eigene Software (ParCell3D genannt) entwickelt, die es erlaubt, stationäre elektrochemische Vorgänge auf reellen Mikrostrukturen zu simulieren. Diese Software wurde erfolgreich für Simulationen von Festoxid-Brennstoffzellen-Elektroden benutzt, deren Mikrostrukturen mit der FIB-SEM Technik und einer geeigneten Segmentierung rekonstruiert wurden [1]–[4]. Weiterhin wurde die Software ParCell3D für die Berechnung von effektiven Transportkoeffizienten (Tortuosität) für eine Composit-LIB-Kathode (LiFePO4 und Carbon Black) erweitert [5]. In den zitierten Arbeiten wurden die Mikrostrukturen nur mit Voxel-basierten Gittern für die FEM-Simulationen approximiert. Der jetzige Stand der Software beinhaltet eine 3D-Implementierung einer Verallgemeinerung der Finite-Elemente-Methode basierend auf sogenannten eXtended Finite Elements (XFEM) [6], die eine wesentlich bessere Approximation der Mikrostruktur erlaubt. Diese wurde ansatzweise für die Berechnung von effektiven Transportkoeffizienten für kleine LIB-Mikrostrukturen getestet. Die vollständige und effiziente Implementierung dieser Methode für realistische Mikrostrukturen wird Anteil dieses Teilprojektes sein.

Weiterhin wurden erste Untersuchungen eines Multirate-Lösers für LIB-Modelle in der abgeschlossenen Diplomarbeit „Entwicklung eines adaptiven Finite-Elemente-Verfahrens für ein Lithium-Ionen-Akkumulator Modell“ (Julietta Merten) durchgeführt. Dabei wurde ein a-posteriori Fehlerschätzer entwickelt, mit dem die Zeit- und Ortsgitter eines vereinfachten 1D-LIB-Modells gesteuert werden können. Diese Forschungsaktivitäten werden in der Promotion „Multiscale simulation of lithium ion battery models“ (Sven Wetterauer), gestartet im Oktober 2014 in der Gruppe Carraro, weiterentwickelt. Der Fokus ist dabei auf einer neuen numerischen Behandlung der mathematischen Kopplung zwischen den verschiedenen elektrochemischen Prozessen. Diese soll eine Reduktion der Rechenzeit und des notwendigen Speicherbedarf für Simulationen von 3D-LIB-Modelle erlauben. Grundidee dieser Methode ist die systematische und unabhängige Steuerung der Zeit- und Raumdiskretisierung aller Anteile des Modells durch Anwendung eines a-posteriori Fehlerschätzers. Diese Aktivitäten dienen dann als Vorentwicklung für dieses Vorhaben, dessen Ziel eine grundlagenorientierte Anwendungsforschung darstellt.

 

Literatur

[1]  J. Joos, T. Carraro, A. Weber, and E. Ivers-Tiffée, “Reconstruction of porous electrodes by FIB/SEM for detailed microstructure modeling,” J. Power Sources, vol. 196, no. 17, pp. 7302–7307, 2011.

[2]  J. Joos, T. Carraro, M. Ender, B. Rüger, A. Weber, and E. Ivers-Tiffée, “Detailed microstructure analysis and 3D simulations of porous electrodes,” ECS Trans., vol. 35, no. 1, pp. 2357–2368, 2011.

[3]  J. Joos, M. Ender, T. Carraro, A. Weber, and E. Ivers-Tiffée, “Representative volume element size for accurate solid oxide fuel cell cathode reconstructions from focused ion beam tomography data,” Electrochim. Acta, vol. 82, pp. 268–276, 2012.

[4]  T. Carraro, J. Joos, B. Rüger, A. Weber, and E. Ivers-Tiffée, “3D finite element model for reconstructed mixed-conducting cathodes: I. Performance quantification,” Electrochim. Acta, vol. 77, pp. 315–323, 2012.

[5]  M. Ender, J. Joos, T. Carraro, and E. Ivers-Tiffée, “Three-dimensional reconstruction of a composite cathode for lithium-ion cells,” Electrochem. commun., vol. 13, no. 2, pp. 166–168, 2011.

[6]  T. Carraro and S. Wetterauer, “On the implementation of the eXtended Finite Element Method (XFEM) for interface problems,” pp. 1–24, 2015.