Digitale Lösungen für die Batterie-Forschung & -Entwicklung

Innovative Batteriematerialien für verbesserte Ladezeit, Leistung und Lebensdauer

Energiespeichersysteme sind für die globale Energiestrategie von entscheidender Bedeutung. Die Batterie ist allgegenwärtig: vom Handy bis zum Elektroauto. Jede einzelne Anwendung hat ihre eigenen Anforderungen an die Eigenschaften der Batterie, die sich auch auf die Lebensdauer der Batteriematerialien auswirken.

Gerade bei der aktuellen Entwicklung, dem Umstieg von der Nutzung fossiler Brennstoffe zur Elektromobilität, werden besondere Anforderungen an die Materialien und Speichersysteme gestellt. Um diese in Zukunft auch erfüllen zu können, bedarf es innovativer Lösungen für 

  • anspruchsvolle Belastungsprofile    
  • die Sicherheit der Batteriemodule     
  • die Erhöhung der Lebensdauer     
  • die Entwicklung umweltfreundlicher und effizienter Materialien     
  • die Reduzierung von Größe und Gewicht     
  • die Steigerung der Energiekapazität

GeoDict - Die Komplettlösung

Mit GeoDict erhalten Sie ein ausgereiftes Komplettpaket, das alle Schritte der Forschung und Entwicklung von Batteriematerialien digital unterstützt. Dabei erfüllt GeoDict alle Anforderungen an eine wissenschaftliche Software zur Lösung komplexer Probleme. Dank der benutzerfreundlichen Oberfläche ist es einfach, sich auf das Wesentliche zu konzentrieren: die Entwicklung der Batteriematerialien von morgen.

Innovative Materialien entwickeln – einfach digital!

Die digitale Mikrostruktur von Batteriematerialien kann aus 3D-Bilddaten wie Mikro-CT und FIB-SEM stammen oder direkt von Grund auf mit den leistungsfähigen Modulen für Materialdesign von GeoDict modelliert werden. Die Leistung und die Eigenschaften der Batteriematerialien werden durch die umfassenden Module für Materialanalyse und Eigenschaftsvorhersage von GeoDict schnell und präzise bestimmt. Dank der detaillierten Visualisierung der quantitativen Simulationsdaten lassen sich alle Details der Ergebnisse leicht überprüfen.

Simulationen reduzieren Zeit und Kosten

Simulationen bieten wertvolle Einblicke in die inneren Vorgänge und Funktionsweisen des Batteriematerials, die Laborversuche nicht liefern können. Dies ermöglicht es Ihnen, Ihre zeit- und kostenintensiven Experimente viel zielgenauer durchführen zu können. Nutzen Sie die gewonnenen Erkenntnisse aus Simulationen, um Schwachstellen direkt zu identifizieren und zu verbessern, ohne die kostspielige und zeitaufwändige Herstellung und Prüfung von Prototypen.

Sie haben Interesse? Unsere Experten für Batterien steht Ihnen gerne für nähere Informationen zur Verfügung!

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BatteryDict – Das GeoDict Modul für Batterieladesimulationen

Durch das Zusammenspiel von BatteryDict, mit anderen GeoDict -Modulen, gewinnen Sie wertvolle Einblicke in die Mikrostruktur Ihrer Batterie und der daraus resultierenden Performanz der Batteriezelle.

Mehr zu BatteryDict

Durch die Analyse der Elektronen- und Ionen-Bewegungen innerhalb der Aktivmaterialien (Elektrolyt und Binder) lässt sich das komplexe Zusammenspiel dieser Transportprozesse übersichtlich darstellen und schnell und einfach bewerten. Basierend auf den Erkenntnissen aus diesen Prozessen kann dann die Weiterentwicklung der Batteriematerialien gezielt vorangetrieben werden.

GeoDict bietet mit den Modulen für Materialdesign die Möglichkeit, die Analyseergebnisse direkt in digitale Materialprototypen umzusetzen und diese dann erneut zu testen.

BatteryDict bietet Ihnen mit dem Electrode-Designer die Möglichkeit, bereits bei der Erstellung der digitalen Batteriezelle problematische Elektroden- und Materialkonfigurationen zu identifizieren. So sparen Sie Zeit, indem Sie nur die digitalen Prototypen testen, die vielversprechend sind.

Für die physikbasierte Batterieladesimulation wird BEST, das "Battery and Electrochemistry Simulation Tool", eingesetzt. BEST wird seit 2011 am Fraunhofer ITWM in Kaiserslautern von Dr. Jochen Zausch und seinem Team entwickelt. Mit BEST lösen Sie per Simulationen nichtlineare partielle Differenzialgleichungen auf dem Voxelgitter und analysieren den Transport von Elektronen und Ionen innerhalb der Batterie auf der Mikrostrukturebene.

Seit GeoDict 2021 haben Sie nun auch die Möglichkeit den LIR-Löser für Ihre Batterie-Simulationen zu nutzen. Der neue Battery-LIR (BLIR) arbeitet ähnlich wie der BEST-Löser mit dem Newton-Verfahren. Für die Übergangsbedingungen zwischen dem Aktivmaterial und dem Elektrolyt werden auch hier die Butler-Volmer-Bedingungen angenommen und gelöst. 

Wie schnell eine Batterie lädt und wie hoch die Kapazität einer Batterie ist, hängt eng mit der Effizienz der Materialien der Elektroden zusammen. Mit den Erkenntnissen zum Verlauf der Lithiumströme und Elektronenströme innerhalb der Batteriematerialien lassen sich Engpässe in den Transportwegen und Überpotentiale, die zum Beispiel zu Lithium-Plating führen, identifizieren. Sind Abschnitte des Aktivmaterials isoliert und nicht oder nur schwer für die Ionen erreichbar, so bleibt die Kapazität der Batterie hinter ihrem Potenzial zurück.

Diese Informationen helfen Ihnen fundierte Design-Entscheidungen zu treffen, um das richtige Design der Batteriematerialien mit den gewünschten Kenngrößen und Eigenschaften zu entwickeln.

Batteriematerialien sind ständigen mechanischen Prozessen ausgesetzt. Die dabei entstehenden Probleme, wie zum Beispiel Verengung der Transportwege und Schädigung des Aktivmaterials, spielen eine wichtige Rolle in der Performanz und der Haltbarkeit der Batterie.

Da diese Prozesse eine kritische Rolle bei der Entwicklung von neuen Batteriematerialien spielen, haben wir uns bei der Math2Market zusammen mit der ETH, die Lösung dieses Problems zum Ziel gesetzt. Daraus ist das öffentlich geförderte Projekt SOLVED! entstanden. Unser Ansatz besteht darin, die Mikrostruktur moderner NMC-Kathoden- und Graphitanoden zu analysieren. Die experimentellen Daten werden zur Validierung von Degradationssimulationen verwendet, die lokale volumetrische Veränderungen und Schäden durch Lithiumeinlagerung berechnen. Auf Basis dieses Verfahrens können neue Prototypenmaterialien entworfen und optimiert werden.

GeoDict-Anwender in der Forschung und Entwicklung werden in der Lage sein, die Batteriealterung während der Zyklisierung zu simulieren und optimierte Prototyp-Elektroden zu entwickeln, die eine überlegene Leistung und Lebensdauer aufweisen! 

Bitte beachten Sie, dass nach der Aktivierung des Videos Daten an YouTube übermittelt werden. 
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Materialentwicklung für Batterien & Brennstoffzellen mit GeoDict 2022

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Die GeoDict Lösung für die Batterie-Forschung und Entwicklung

Das GeoDict-Paket umfasst neben der GeoDict Base alle notwendigen Module für die Forschung und Entwicklung von Batteriematerialien.

Modulempfehlungen

Bildverarbeitung & BildanalyseImportGeo-Vol      
Charakterisierung & AnalyseGrainFind(-AI)FiberFind(-AI)PoroDict + MatDict    
Modellierung & DesignGrainGeoFiberGeoGrainFind(-AI)WeaveGeo   
Simulation & VorhersageBatteryDictDiffuDictConductoDictFlowDictElastoDictAddiDictSatuDict

Welche Module für Sie am besten passen, ist abhängig von der Art Ihrer Anwendung.