Mikro-Gitterstrukturen als Lithiumionenakku-Elektroden: Chemo-mechanische Balkenmodellierung von diffusionsinduzierten Instabilitäten und optimales Design

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Professor Dr. Oliver Weeger; Professorin Dr.-Ing. Bai-Xiang Xu
• Fachliche Zuordnung: Mechanik
• Förderung: Förderung seit 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 460684687

Neuartige Fertigungsverfahren wie 3D-Druck ermöglichen es komplexe 3D-Mikrogitterstrukturen als Materialien und Zellen in Lithium-Ionen-Akkus einzusetzen. Mittels großer Oberfläche, kurzer Diffusionswege und hoher Spannungsrelaxation bieten diese eine signifikante Leistungsverbesserung. Aufgrund der Lithiierung-induzierten Ausdehnung sind die schlanken Stäbe von Balkengittern anfällig für mechanische Instabilitäten wie Knicken. Solch chemisch induzierte, nichtlineare Instabilitäten und ihr Einfluss auf die elektrochemische Leistung von Elektroden sind noch unzureichend verstanden, ebenso das optimale Design solcher Elektrodenstrukturen. Während multiphysikalische Simulationen für Lithium-Ionen-Akkus bislang auf rechenintensiven Festkörpermodellen basieren, sind für die Instabilitätsanalyse und das Elektrodendesign effiziente Simulations- und Optimierungsmethoden auf Basis multiphysikalischer Balkenmodelle wünschenswert. Ziel dieses gemeinsamen Antrags ist es daher, numerische Methoden für die chemo-mechanische Analyse von Mikrogitter-Elektroden unter Verwendung von Balkenformulierungen zu entwickeln.Zunächst wollen wir multiphysikalische Balkenmodelle und Diskretisierungen entwickeln, die Mechanik und transiente Ionendiffusion koppeln. Für Materialien mit relativ kleinen elastischen Dehnungen, wie Lithiummanganoxid oder Vanadiumpentoxid, wird ein geometrisch exaktes, ko-rotierendes 3D-Balkenmodell erweitert mit Ionendiffusion, Schwellung und Variation der Materialparameter aufgrund der Ionenkonzentration. Um die Diffusion im Balkenquerschnitt abzubilden, werden ein einfaches heuristisches und ein komplexeres Modell ähnlich den Querschnittsverzerrungen entwickelt. Für Materialien mit potenziell großen Verformungen, wie Silizium, wird ein Balken-Festkörperelement mit finiten Dehnungen und hyperelastischen Materialgesetzen gekoppelt mit transienter Ionendiffusion, sowohl axial als auch im Querschnitt. Im Hinblick auf die Strukturoptimierung werden die beiden Balkenelemente unter Verwendung isogeometrischer Diskretisierungen implementiert. Zur Verifizierung der Balkenmodelle dienen chemo-mechanische 3D-Finite-Elemente-Simulationen.Basierend auf diesen Balkenmodellen wird eine Methode für die zuverlässige chemo-mechanische Analyse des nichtlinearen Knickverhaltens von Batterie-Gitterstrukturen entwickelt. Die erwartete Effizienz der Balkenmodelle sollte auch die Simulation von Strukturen mit vielen Einheitszellen ermöglichen, um lokale und globale Knickmuster und ihre Abhängigkeit von Laderaten, geometrischen und Materialparametern zu demonstrieren. Damit werden dann die Auswirkungen des Knickens auf die Batterieleistung wie Kapazität und Spannungs-Ladekurven analysiert. Unter Verwendung von gradientenbasierten Optimierungsalgorithmen mit adjungierten Sensitivitäten werden dann optimale Mikrogitter mit räumlich variierender Stabdicke, Materialzusammensetzung oder optimal gekrümmten Streben generiert um die Batterieleistung zu verbessern.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen