EW-8 Nachwuchsgruppe Modellgestützte Multiskalen-Entwicklung von Batteriesystemen

Die Nachwuchsgruppe Modellgestützte Multiskalen-Entwicklung von Batteriesystemen befasst sich mit der Integration von mathematischen Modellen in den Entwicklungsprozess von Lithium-Ionen-Batterien im Allgemeinen und Solid-State-Batterien im Speziellen. Hierbei werden verschiedenste Simulationsmethoden vom Atom bis zum System betrachtet. Zu diesen Methoden zählen Systemmodelle, Finite Elemente Modelle, Diskrete Elemente Modelle, sowie atomistische Modelle. Schwerpunkt der Nachwuchsgruppe liegt in methodenübergreifenden Ansätzen, also im Austausch und Kopplung der verschiedenen Modelle, sowie der ganzheitlichen Betrachtung von Produktion, Betrieb und Abuse von Batteriesystemen.

In der Forschungsgruppe wird eine Methode zur Kopplung von Prozesskettensimulation und Batteriezellsimulation entwickelt. Ziel der Methode ist es, Einflüsse der Produktion auf das Produkt ganzheitlich zu bewerten. Hierbei werden insbesondere der Einfluss von Produktionsschwankungen sowie deren Entwicklung entlang der Prozesskette betrachtet. Das Konzept ist in Abbildung 1 dargestellt.

Außerdem wird die direkte Kopplung von verschiedenen Modellen betrachten. Eine solche Kopplung wurde zur Multiskalensimulation des SEI-Wachstums in Lithium-Ionen-Batterie durch Kopplung von atomistischen Reaktionsmodellen mit makroskopischen Zellmodellen angewandt. Dieser Ansatz ermöglicht die Simulation und Analyse des komplexen Schichtwachstums sowie der Interaktion vom Atom bis zur Zelle. In Abbildung 2 ist das Modellkonzept sowie exemplarische Simulationsergebnisse dargestellt.

Modellkopplung wird darüber hinaus zur Simulation des Thermal Runways in angewandt. Diese Modelle erfordern die Kopplung von mechanischen Verhalten der Partikelsysteme sowie der komplexen chemischen und thermischen Prozesse innerhalb eines Gesamtzellsimulation. Das Modellkonzept ist in Abbildung 3 dargestellt.

Zur Integration der modellgestützten Analyse in die Entwicklung von Batterien wird die modellgestützte Datenanalyse betrachtet. Hierbei werden große Datensätze aus der Batterieproduktion analysiert. Durch die simulationsbasierte Analyse gewonnene Erkenntnisse können automatisiert weiterverarbeitet und zur Optimierung der Produktion verwendet werden.

Leitung:

• Dr.-Ing. Fridolin Röder , Institut für Energie- und Systemverfahrenstechnik, Technische Universität Braunschweig

Mitarbeiter:

• Janika Wagner, Institut für Energie- und Systemverfahrenstechnik, Technische Universität Braunschweig
• Daniel Witt, Institut für Energie- und Systemverfahrenstechnik, Technische Universität Braunschweig 
• Oke Schmidt, Institut für Energie- und Systemverfahrenstechnik, Technische Universität Braunschweig
• Florian Baakes, Institut für Energie- und Systemverfahrenstechnik, Technische Universität Braunschweig
• Matthias Thomitzek, Institut für Werkzeugmaschinen und Fertigungstechnik, Technische Universität Braunschweig
• Clara Sangros, Institut für Partikeltechnik, Technische Universität Braunschweig

1.    Röder, F., Braatz, R. D., Krewer, U.: Multi-Scale Simulation of Heterogeneous Surface Film Growth Mechanisms in Lithium-Ion Batteries, Journal of the Electrochemical Society, 164 (11), E3335-E3344, 2017, Doi: 10.1149/2.0241711jes
2.    Thomitzek, M., Schmidt, O., Röder, F., Krewer, U., Herrmann, C., Thiede, S.: Simulating Process- Product Interdependencies in Battery Production Systems, Procedia CIRP, 2018
3.    Krewer, U., Röder, F., Harinath, E., Braatz, R.D., Bedürftig, B., Findeisen, R., Review — Dynamic models of Li-Ion batteries for diagnosis and operation: A review and perspective, Journal of the Electrochemical Society, 165 (16), A3656-A3673, 2018
4.    Laue, V., Röder, F., Krewer, U.: Joint structural and electrochemical modeling: Impact of porosity on lithium-ion battery performance, Electrochimica Acta, 314, 20-31, 2019
5.    Röder, F., Braatz, R.D., Krewer, U. :Direct coupling of continuum and kinetic Monte Carlo models for multiscale simulation of electrochemical systems, Computers and Chemical Engineering 121, 722-735, 2019
6.    Röder, F., Laue, V., Krewer, U. : Model Based Multiscale Analysis of Film Formation in Lithium‐Ion Batteries, Batteries & Supercaps, 2 (3), 248-265
7.    Laue, V., Wolff, N., Röder, F., Krewer, U.: Modeling the Influence of Mixing Strategies on Microstructural Properties of All-Solid-State Electrodes, Energy Technology, 1801049, 2019
8.    Laue, V., Schmidt, O., Dreger, H., Xie, X., Röder, F., Schenkendorf, R., Kwade, A., Krewer, Model-Based Uncertainty Quantification for the Product Properties of Lithium-Ion Batteries, Energy Technology, 1900201, 2019
9.    Röder, F., Braatz, R. D., Krewer, U.: Multi-Scale Simulation of Heterogeneous Surface Film Growth Mechanisms in Lithium-Ion Batteries, Journal of the Electrochemical Society, 2017, Doi: 10.1149/2.0241711jes
10.    Thomitzek, M., Schmidt, O., Röder, F., Krewer, U., Herrmann, C., Thiede, S.: Modeling the impact of production influences on electrochemical behavior of LIBs, Batterieforum Deutschland, 2018.
11.    Thomitzek, M., Schmidt, O., Röder, F., Krewer, U., Herrmann, C., Thiede, S.: Model approach for accessing the impact of production influences on electrochemical behavior of LIBs, Kraftwerk Batterie, 2018.
12.    Thomitzek, M., Schmidt, O., Röder, F., Krewer, U., Herrmann, C., Thiede, S.: Simulating Process- Product Interdependencies in Battery Production Systems, Procedia CIRP, 2018.

Dr.-Ing. Fridolin Röder

Leiter der Nachwuchsgruppe Modellgestützte Multiskalen-Entwicklung von Batteriesystemen

Technische Universität Braunschweig
Institut für Energie- und Systemverfahrenstechnik
Franz-Liszt-Str. 35
D-38106 Braunschweig

Tel.: +49 0531 391 3041
E-Mail: f.roeder(at)tu-braunschweig.de