Die Entwicklung einer neuen Generation von Lithium-Ionen-Batterien
Die Batterien sind tragbar, verfügen über eine große Energieumwandlungseffizienz und haben keine gasförmigen Emissionen. Für zwei der wichtigsten Energiespeicheranwendungen sind sie besonders vielversprechend: Elektrofahrzeuge und Smart Grid-Technologie. Li-ion-Batterien haben die höchste Energiespeicherdichte aller wiederaufladbaren Batterietechnologien. Lithium-Komposit-Elektroden könnten aufgrund ihrer außergewöhnlichen Kapazitäten die Antwort zur Ermöglichung der anvisierten großmaßstäblichen Anwendungen sein. Eine umfassende Expansion/Kontraktion während des Lade-/Entladezyklusses kann jedoch schnell zu einem Fehler führe. Im Moment haben die Hersteller von Li-ion-Batterien in Asien und den USA einen deutlichen Wettbewerbsvorteil gegenüber denen in der EU. Die Wissenschaftler entwickeln theoretische und rechnerische Modelle der Materialien und Verfahren in verschiedenen Maßstäben, um bei der Lösung dieses Problems mit einer EU-Finanzierung des Projekts LISF (Mechanics of energy storage materials: Swelling and fracturing in lithium ion batteries electrodes during charging/discharging cycles) zu helfen. Die Forscher entwickelten modernste, computergestützte Homogenisierungsmaßnahmen, die mikroskopische und makroskopische Phänomene unter Verwendung einer mehrskaligen Strategie mit einem repräsentativen Vielteilchen-Einheitsvolumen (repräsentatives Volumenelement, RVE) vereinen. Die verbesserten Algorithmen behandeln die Elektroneutralität richtigerweise als Annahme und nicht als grundlegendes Gesetz; sie nutzen dabei die Maxwell-Gleichungen, die Elektrizität und Magnetismus beschreiben. Eine Skalentrennung wird mit besonderem Augenmerk auf die Trennung der Zeitskala behandelt, die in solchen Modellen nie zuvor enthalten war. Die Annahme einer stationären Masse und eines Ladungstransports im Mikromaßstab wurde abgeschafft und zeitabhängige Skalenübergänge eingeführt. Schließlich wurde die Hill-Mandel-Bedingung, die die Skalentrennung reguliert, die zweite Hauptkomponente einer Kontinuumshypothese zusätzlich zum RVE, erweitert. Simulationen eines 1D-Ionentransports im Elektrolyt einer Li-ion-Batterie bildete Daten in der Literatur perfekt nach. Dank der Maxwell-Gleichungen wurde dies sogar ohne die theoretischen Widersprüche, die in anderen Ansätzen entwickelt wurden, erreicht. Eine Analyse des mikrostrukturellen 2D-Verhaltens eines Mehrphasenseparators bestätigte die Überlegung von mikroskopischen Mechanismen weiterhin. Die Ergebnisse wurden in zahlreichen Publikationen veröffentlicht. Die elektrochemische und mechanische Leistung von Lithiumbatterien erwies sich als sehr von der Interaktion zwischen Phänomenen auf Makro- und Mikroebene abhängig. Die Ergebnisse sollten großen Einfluss auf die Konstruktion einer neuen Generation von Li-ion-Batterien haben und eine neue Ära der drahtlosen und nachhaltigen Elektrizität sowie eine neue Ära für EU-Batteriehersteller einleiten.
