Helmholtz-Zentrum Berlin Batterie-Elektroden realistisch modellieren

Mit Synchrotron-Tomographie an BESSY II wurde die 3D-Struktur der Batterie-Elektrode mikrometergenau ermittelt.
Mit Synchrotron-Tomographie an BESSY II wurde die 3D-Struktur der Batterie-Elektrode mikrometergenau ermittelt.

Ein neuer Ansatz ermöglicht es, Batterie-Elektroden realitätsgetreu am Rechner zu modellieren – bis auf den Nanometer genau. Dadurch lassen sich Prozesse in der Elektrode sehr realistisch simulieren und in die Realität übertragen. Doch wie funktioniert das?

Um die Entwicklungszeiten von neuen Batterien zu beschleunigen, greifen die Forscher auf Computerprogramme zurück, mit denen sich die unterschiedlichen Materialstrukturen virtuelle herstellen und austesten lassen. Soweit die Theorie. In der Praxis war das Problem des sogenannten »Virtual Materials Design« bisher immer die fehlende Realitätsnähe der Programme, denn was am Computer erfunden wird, muss am Ende auch in der Wirklichkeit herstellbar sein. Das funktioniert nur dann, wenn das Material im Computer auf realen Strukturparametern beruht.

Ein multiskaliger Ansatz

Dr. Ingo Manke und Dr. André Hilger vom HZB-Institut für Angewandte Materialforschung entwickelten gemeinsam mit einem Team der Brigham Young University, USA, und der Universität Freiburg einen neuen Ansatz, mit sich Batterie-Elektroden auf Basis realer Strukturparameter im Computer modellieren lassen. Dafür kombiniert das Forscherteam zwei verschiedene tomographische Verfahren: 

Zunächst analysierten sie eine moderne LiCoO2-Batterie-Elektrode mit Synchrotron-Tomographie an BESSY II, so dass sie Informationen zur dreidimensionalen Struktur auf der Mikrometer-Skala erhielten. Zusätzlich erfassten sie mit einem Rasterelektronenmikroskop mit fokussiertem Ionenstrahl (SEM/FIB-Tomographie) die noch tausendmal feinere Nano-Struktur, allerdings nur in einem sehr kleinen Ausschnitt des Materials. Mit einem mathematischen Modell, entwickelt von Prof. Dr. Dean R. Wheeler (Brigham Young University), gelang es, diese Informationen über die Nanostruktur auf die viel größere Struktur aus dem Synchrotron-Tomogramm zu übertragen.

Manke erklärt den Ansatz so: »Das kann man sich in etwa wie bei einer Tapete vorstellen, deren feine Struktur sich immer wiederholt und so die gesamte Wand bedeckt. Nur dass sich die Struktur in diesem Fall nicht wiederholt, sondern immer wieder anders berechnet wird.« Mit dem neuen Ansatz können Strukturen, welche in echten Batterien vorkommen, sehr wirklichkeitsgetreu in ein Computermodell überführt werden. So ist es möglich, Prozesse wie die Strom-Verteilung oder den Ionen-Transport virtuell zu untersuchen. Im nächsten Arbeitsgang soll diese modellierte Struktur schrittweise verändert werden, um z.B. die Stromverteilung zu optimieren. Laut Manke soll die Struktur, die die Forscher am Computer verbessert haben, im Labor hergestellt werden können, um dann in der Realität noch weiter getestet zu werden.