Experimentell validierte Simulation der dehnungsinduzierten Batteriealterung

Quantitative Simulation der Batteriealterung auf mikrostruktureller Ebene

Die quantitative Simulation der Batteriealterung auf mikrostruktureller Ebene wird gemeinsam von Math2Market und der MaDE-Gruppe von Prof. Vanessa Wood (ETH Zürich) im Rahmen des EU-Projekts "SOLVED!" verfolgt.

Der experimentelle Ansatz ist die Analyse der Mikrostruktur der NMC-Kathode und der Graphit-Anode durch 3D-In-Operando-Röntgentomographie und elektrochemische Charakterisierung.

Der digitale Ansatz ist die Verwendung von GeoDict, um die lokalen Spannungen und die Ausdehnung der Elektrodenmikrostrukturen aufgrund der lokalen Lithium-Ionen-Konzentration im aktiven Material während des Ladens und Entladens der Batterie zu simulieren. Die Simulation beobachtet und prognostiziert den Einfluss der mikrostrukturellen Veränderungen auf die Leistungsfähigkeit der Batterie.

Wir sind in den folgenden Schritten vorgegangen:

  • Simulation von Batteriezyklen durch Kombination von Batterieladesimulationen und Simulationen der mechanischen Ausdehnung in GeoDict
  • Analyse des dynamischen Verhaltens der Mikrostruktur der Batterie während des Zyklus durch In-Operando-Röntgentomographie durch die MaDe-Gruppe der ETH Zürich
  • Validierung der Simulationsergebnisse durch Vergleich mit den experimentellen Daten
  • Analyse des Einflusses von Material- und Strukturmodifikationen auf die dehnungsinduzierte Batteriealterung

Was war das Ergebnis?
Dieser einzigartige digitale Workflow stellt eine effiziente, hochmoderne Methodik zur digitalen F&E-Materialauslegung für Energiematerialien in der E-Mobilität und Energiespeicherung dar.

Was bedeutet das für unsere Kunden?
Zuverlässige quantitative Simulationen sind der Weg zu einem zeitsparenden und rationellen Ansatz, um neue Batterieprototypenmaterialien mit überlegener Lebensdauer und Leistung zu entwickeln.

Projekt "SOLVED!"

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Forschung & Entwicklung von Batteriematerialien mit GeoDict

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Autoren und Anwendungsspezialisten

Dr. Ilona Glatt

Senior Business Manager
for Batteries and Fuel Cells

Dr. Anja Streit

Application Engineer

Prof. Dr. Vanessa Wood

Vice President for
Knowledge Transfer and
Corporate Relations

MaDe group of ETH Zurich

Teil 1: Dehnungsinduzierte Batteriealterung durch Degradation

Die Degradation von Batterien wird zum Teil durch Veränderungen in der Mikrostruktur der Elektrode während des Zyklierens der Batterie verursacht.

Lithium, das beim Laden oder Betrieb einer Lithium-Ionen-Batterie in eine Elektrode eintritt, führt zu einer Ausdehnung des aktiven Materials. Die lokale Lithiumkonzentration bestimmt das Ausmaß dieser Ausdehnung, die mechanische Spannungen auf der Mikro- und Makroskala verursacht.

Diese Beanspruchungen während des Zyklierens der Batterie führen zur Degradation des Materials durch Risse, Delamination und Verformung der inaktiven Schichten und des Gehäuses [1]. Man spricht von einer "Alterung" der veränderten Mikrostruktur, die zu Kapazitätsverlusten und schädigenden Effekten führt, wie z. B. Lithium-Plating [2].

Teil 2: Simulieren des Batterie-Zyklusbetriebs

Simulation dynamischer Prozesse während des Zyklierens zur Erkennung von Strukturveränderungen.

Wir verwenden GeoDict, um die lokalen Spannungen und die Ausdehnung der Elektrodenmikrostrukturen während des Ladens oder Entladens der Batterie zu simulieren. Experimentelle Daten werden verwendet, um diese Degradationssimulationen zu validieren. In diesen Simulationen werden lokale Verformungen und Schädigungen durch mikroskalige Lithium-Interkalation mit der lokalen Lithium-Ionen-Konzentration im aktiven Material und dessen lokalen volumetrischen Veränderungen verknüpft. Die 3D-Simulationen der elektrochemischen Batterieladung und der mechanischen Verformung sind gekoppelt, um die Elektrodenausdehnung zu simulieren.

Die veränderte Mikrostruktur wird für jeden Lade- und Entladeschritt dynamisch berücksichtigt. Digital prognostizieren und verfolgen wir den Einfluss der Strukturveränderungen auf die elektronischen und ionischen Transportprozesse sowie auf die makroskopische Leistung der Zelle.


Teil 3: Experimentelle Messungen

In-Operando-Messungen von Elektroden zur Validierung.

Wir analysieren das dynamische Verhalten der Mikrostruktur der Batterie während des Zyklierens durch In-Operando-Röntgentomographie [3].

Im Projekt SOLVED! wird das dynamische Verhalten der Mikrostrukturen einer Lithium-Ionen-Batterie während des Zyklus mit gekoppelten elektrochemischen und mechanischen Simulationen untersucht. Die Verifizierung der Simulationen erfolgt durch den Vergleich mit in-operando Röntgentomographie-Messungen einer LiNiMnCoO2-Kathode und einer Graphit-Anode. Elektrochemische Charakterisierungen der gleichen Materialien werden zur Parametrisierung der Simulation verwendet.

Die Datensätze und begleitenden 3D-Renderings werden von der MaDE-Gruppe der ETH Zürich zur Verfügung gestellt.

Teil 4: Simulationen und Validierung

Dargestellt sind die Validierungsergebnisse für die Halbzellensimulation einer Graphitanode in GeoDict.

Um die Berechnung zu beschleunigen, wird der LIR-Solver in GeoDict für Batterieladesimulationen angepasst.

Für die digitale Batterie werden Zyklierprotokolle definiert, um den Lade- und Entladevorgang in der automatisierten Kopplung von elektrochemischer Ladung und mechanischer Verformungssimulation zu steuern.

Der bewährte GeoDict-Workflow zum Importieren, Verarbeiten und Analysieren von 3D-Bilddaten von Batteriematerialien wird durch den Einsatz leistungsfähiger Strukturgeneratoren erweitert, um realistische statistische Digital Twins der Batteriematerialien und einer digitalen Batterie zu erzeugen. Zusätzlich wird die Schädigung durch mechanische Verformung simuliert.

Schließlich können mit automatischer Auswertung und Datennachbearbeitung die Kapazitäts- und Leistungsänderungen während des Zyklierens der Batterie für ganze Elektroden simuliert werden.

Die simulierte Ausdehnung eines Ausschnitts der Graphitanode wird mit der entsprechenden in-operando Messung verglichen, um die Simulation zu validieren. Die Gesamtausdehnung der Partikel beträgt 10 % (Messung) und 9,8 % (Simulation) bei freien Randbedingungen für die Simulation.

In Abb. 8 ist ein Ausschnitt der Struktur bei 60 % Ladungszustand im Vergleich dargestellt. Voxel mit gleichem Material in der Messung und in der Simulation sind in weiß für Elektrolyt und in grau für Graphit dargestellt. Voxel, die in der Simulation und in der Messung unterschiedlich beschriftet sind, werden in blau bzw. rot dargestellt.

Diese Unterschiede werden hauptsächlich dadurch verursacht, dass die gezeigten Simulationsergebnisse für isotrope Ausdehnung gelten. Aufgrund der Orientierung der Graphitplättchen ist die reale Ausdehnung anisotrop, was in der Messung beobachtet wird. Diese anisotrope Ausdehnung von Graphit wird in einem nächsten Schritt im Projekt simuliert werden.

Referenzen

[1] Quantification and modeling of mechanical degradation in lithium-ion batteries based on nanoscale imaging. S. Müller, P. Pietsch, B.-E. Brandt, P. Baade, V. De Andrade, F. De Carlo, V. Wood, 2018, Nature Communications, DOI: 10.1038/s41467-018-04477-1

[2] Investigation on the temperature dependence of lithium plating in commercial Li-ion batteries. M. A. Cabañero et al., Electrochimica Acta 171, 1217–1228 (2017).

[3] X-Ray Tomography for Lithium-ion Battery Research: A Practical Guide. P. Pietsch and V. Wood, Annu. Rev. Mater. Res., 2017, 47, 451–479

Danksagung

Wir danken unseren Partnern an der ETH Zürich, MaDe Gruppe, Vanessa Wood und ihrem Team, für die hervorragende Zusammenarbeit und die Bereitstellung der experimentellen Daten.

Wir danken dem Eurostars-Programm für die Förderung unter der Projektnummer E!113343