Batterien – Zellcharakterisierung und -modellierung

Die AG Batterien – Charakterisierung und Modellierung Zelle beschäftigt sich mit der elektrochemischen und mikrostrukturellen Charakterisierung und Modellierung von Batterien auf verschiedenen Skalen.

Ziel der experimentellen Untersuchungen ist das Verständnis der in der Zelle ablaufenden Prozesse, die Korrelation dieser mit mikrostrukturellen Kenngrößen, Design- und Betriebsparametern. Im Fokus stehen Tests von Batteriezellen unter systemnahen Bedingungen. Die Untersuchungen umfassen aktuelle Lithium-Ionen Zellen mit Flüssigelektrolyt und zukünftigen Festkörperbatterien (ASSB: All Solid State Batteries).

Zur messtechnischen Auflösung der der in den Zellen ablaufenden Prozesse kommen quasistationäre (OCV-Kennlinien, C-Raten und Zyklentests) und dynamische Messmethoden (Impedanzspektroskopie im Frequenz- und Zeitbereich, NFRA) zum Einsatz. Für weitere Analysen stehen strukturelle (XRD), mikroskopische (REM, Licht- und Lasermikroskopie) und tomographische Verfahren zur Verfügung (FIB-REM, µCT). Die Entwicklung von Mess- und Auswerteverfahren ist ein wichtiger Bestandteil der experimentellen Arbeiten.

Die Modellierung des Zellverhalten erfolgt auf unterschiedlichen Ebenen – von der räumlich aufgelösten 3D-Simulation poröser Elektroden über homogenisierte 0D Ersatzschaltbildmodelle bis hin zu 3D FEM Modellen für großformatige Zellen. In der Modellierung steht die experimentell basierte Parametrierung im Zentrum. Die Impedanzanalyse über die Verteilungsfunktion der Relaxationszeiten und physikochemische Ersatzschaltbilder liefert Modellparameter für Transportprozesse und elektrochemische Reaktionen. Die Validierung der Modelle erfolgt über komplementäre Messungen.

Simulationen liefern Informationen über nicht messbare Zustandsgrößen in der Zelle, ermöglichen die Vorhersage des Verhaltens neuer Mikrostruktur- und Materialdesigns wie auch die Möglichkeit der virtuellen Integration dieser in eine Zelle.

Ansprechpartner: Dr.-Ing. André Weber