Realitätsgetreues Modell einer Batterieelektrode am Rechner

Ein Forschungsteam hat einen neuen Ansatz entwickelt, um Batterie-Elektroden am Computer noch realistischer zu modellieren. Sie kombinierten dafür Synchrotron-Tomographie-Aufnahmen, die die dreidimensionale Struktur mikrometergenau abbilden, mit Elektronenmikroskopie-Aufnahmen, die in einem kleinen Ausschnitt sogar Nanostrukturen auflösen. Mit einem mathematischen Modell konnten sie diese Nanostrukturen auf Bereiche außerhalb des Ausschnitts übertragen. Dadurch lassen sich Eigenschaften und Prozesse in Batterie-Elektroden nun höchst realistisch simulieren.

Batterien müssen noch leichter, leistungsfähiger und günstiger werden, um eines Tages in großem Maßstab Autos anzutreiben oder Strom aus Wind und Sonne zu speichern. Eine Möglichkeit, die Entwicklung zu beschleunigen, ist das „Virtual Materials Design“: Mit dem passenden Computerprogramm lassen sich in ein paar Klicks die unterschiedlichsten Materialstrukturen virtuell herstellen und austesten, so die Idee. Das Problem liegt allerdings in der fehlenden Realitätsnähe. „Das Material, das man am Computer erfindet, muss ja letztendlich auch in der Realität herstellbar sein; das geht aber nur, wenn es auf realen Strukturparametern beruht“, erklärt HZB-Forscher Dr. Ingo Manke.

Daten aus zwei bildgebenden Verfahren mit mathematischem Modell kombiniert

Um Materialsysteme für Batterie-Elektroden auf Basis realer Strukturparameter im Computer zu modellieren, haben Manke und sein Kollege Dr. André Hilger vom HZB-Institut für Angewandte Materialforschung nun zusammen mit einem Team der Brigham Young University (USA) und der Universität Freiburg einen neuen Ansatz entwickelt. Sie kombinierten dafür zwei verschiedene tomographische Verfahren zu einem sogenannten multiskaligen Ansatz. 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 Universität), gelang es, diese Informationen über die Nanostruktur auf die viel größere Struktur aus dem Synchrotron-Tomogramm zu übertragen.

Virtuelles Materialdesign am Rechner

„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“, erklärt Manke. Der neue Ansatz ermöglicht es, Strukturen, die in echten Batterien vorkommen, sehr realitätsgetreu in ein Computermodell zu überführen, so dass sich wichtige Prozesse wie die Strom-Verteilung oder der Ionen-Transport virtuell untersuchen lassen. Im nächsten Schritt sollen diese modellierten Strukturen nun schrittweise verändert werden, um etwa die Strom-Verteilungen oder den Ionen-Transport zu verbessern. „Letztlich soll die Struktur, die wir am Computer optimiert haben, auch im Labor hergestellt werden können, dann werden wir testen, wie gut das Verfahren wirklich funktioniert“, sagt Manke.

Die Ergebnisse dieser Studie sind in der renommierten Zeitschrift Advanced Energy Materials publiziert worden [1], die mit einem Impact-Factor von 14.4 zu den am häufigsten zitierten Journalen auf diesem Gebiet gehört. Die Arbeiten setzten eine vorangegangene Studie der Arbeitsgruppen fort, die im letzten Jahr in derselben Zeitschrift veröffentlich wurden [2].

Vollständige Referenzen:

[1] L. Zielke, T. Hutzenlaub, D. R. Wheeler, C.-W. Chao, I. Manke, A. Hilger, N. Paust, R. Zengerle, S. Thiele, Three-phase multiscale modeling of a LiCoO2 cathode – Combining the advantages of FIB-SEM imaging and X-ray tomography, Advanced Energy Materials 5, 5, p. 1401612 (2015)
[2] L. Zielke, T. Hutzenlaub, D. R. Wheeler, I. Manke, T. Arlt, N. Paust, R. Zengerle, S. Thiele, A Synthesis of X-ray Tomography and Carbon Binder Modeling - Reconstructing the Three Phases of LiCoO2 Li-ion Battery Cathodes, Advanced Energy Materials 4, 8, p. 1301617 (2014)