Graduiertenkolleg SiMET am KIT Simulation von Lithium-Ionen-Batterien

Die miteinander verbundenen mechanisch-elektrisch-thermischen Vorgänge in Lithium-Ionen-Batterien sind Gegenstand der Arbeiten im Graduiertenkolleg SiMET.
Die miteinander verbundenen mechanisch-elektrisch-thermischen Vorgänge in Lithium-Ionen-Batterien sind Gegenstand der Arbeiten im Graduiertenkolleg SiMET.

Das neue Graduiertenkolleg "Simulation mechanisch-elektrisch-thermischer Vorgänge in Lithium-Ionen-Batterien" am KIT startet 2017. Hier wird an Modellen gearbeitet, mit denen sich u.a. simulieren lässt, wie sich Unterschiede im inneren Aufbau auf das Verhalten der Batterien im Betrieb auswirken.

Batterien gelten als Schlüsselkomponenten für viele Zukunftstechnologien, besonders für die Elektromobilität. In vielen Anwendungen von Elektroautos bis hin zu Batteriespeichern im Stromnetz sind inzwischen Lithium-Ionen-Batterien anzutreffen. Im Rahmen des von der Deutschen Forschungsgemeinschaft eingerichteten neuen Graduiertenkollegs "Simulation mechanisch-elektrisch-thermischer Vorgänge in Lithium-Ionen-Batterien", kurz SiMET, am Karlsruher Institut für Technologie wird im Rahmen interdisziplinärer Doktorarbeiten an der Modellbildung und der Entwicklung numerischer Simulationsmethoden für die in Lithium-Ionen-Batterien ablaufenden, eng miteinander verknüpften mechanisch-elektrisch-thermischen Prozesse. Solche Simulationsmethoden bilden ein wichtiges Werkzeug für die weitere Entwicklung effizienter und leistungsfähiger Batteriesysteme.

Die Arbeiten in SiMET werden sowohl der Multiskalarität der Materialien und Komponenten in Batterien als auch der Multidisziplinarität der in ihnen ablaufenden Vorgänge gerecht: Sie befassen sich mit sämtlichen Einheiten von Partikeln innerhalb der mikroporösen Elektroden bis zur kompletten Zelle, mit Größen von wenigen Nanometern bis zu etlichen Zentimetern. Dabei verbinden sie verschiedene Disziplinen wie Verfahrenstechnik, Elektrotechnik, Maschinenbau, Materialwissenschaften, Chemie, Physik und Mathematik. Die Modelle zielen auf ein breites Spektrum von vor allem ingenieurtechnischen Fragen ab. So sollen sie unter anderem erlauben, das elektrische Betriebsverhalten in einem großen Temperaturbereich zu simulieren, die Wirkung verschiedener innerer Strukturen auf die Leistungsfähigkeit der Zellen aufzeigen und zum Verständnis mechanisch und thermisch induzierter Schädigungseffekte beitragen. Ergänzend zur modellgestützten Simulation verfügt SiMET über einen direkten Zugang zu experimentellen Möglichkeiten von der Computertomographie bis zu komplexen elektrochemischen und thermischen Messverfahren. Die Experimente dienen dazu, Parameter zu bestimmen und die Modelle zu validieren.