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Erfahren Sie, wie Simulation Forschern und Entwicklern hilft, erfolgreich die Akkus der nächsten Generation herzustellen.

Mit Simulation die Akkutechnik von morgen entwickeln

30.10.2017 Höhere Energiedichten, mehr Sicherheit und ein nachhaltigerer Rohstoffeinsatz sind erklärte Ziele in der Akkuentwicklung. Es gibt drei Gründe, warum Simulation den Weg zum Erreichen dieser Ziele ebnen kann.

Simulationen liefern einen wesentlichen Vorteil für die Entwicklung im Allgemeinen, und dieser Vorteil ist bei Akkumulatoren, Batterien und anderen elektrochemischen Aufgabenstellungen besonders ausgeprägt: Es ist die Möglichkeit, die komplexen inneren Zusammenhänge eines Prozesses qualitativ und quantitativ bis ins Detail analysieren und auswerten zu können. Es gibt keine experimentellen Messmethoden, um beispielsweise die einzelnen Komponenten der Spannungsverluste einer Zelle, wie Konzentrationsüberpotential, Ladungstransferüberpotential und Potentialverlust des Elektrolyten, im Detail aufzuschlüsseln. Mit einem Simulationsmodell hingegen ist eine derartige Auswertung mit wenig Aufwand erstellt

 

Comsol Webinar

Verschiedene Beiträge zum Spannungsverlust während einer 1.6C-Entladung eines Solid-State Lithium-Ionen Akkus

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

– und der Erkenntnisgewinn ist enorm.

Sind die Prozesse im Akku verstanden, folgt der nächste Schritt, welcher ebenfalls nur mit Simulation möglich ist: Das Erzielen der höchstmöglichen Performance durch virtuelles Design und Optimierung. Die Flexibilität in der Anpassung aller Eigenschaften, geometrischer Maße und Materialgrößen ist kennzeichnend für virtuelle Modelle. Optimierungsalgorithmen suchen automatisch die besten Einstellungen innerhalb vorgegebener Toleranzen zum Erreichen optimaler Ergebnisse. Ein Beispiel ist das Sicherstellen eines „gutartigen“ thermischen Verhaltens eines Akkus bei minimalem Materialaufwand, um die Wärme aus dem System zu entziehen.

 

Comsol Webinar 2

Temperaturprofil eines luftgekühlten zylindrischen Lithiumionen-Batteriepacks. Das thermische Modell ist mit elektrochemischen Reaktionen und dem Ionenfluss gekoppelt, welche als Wärmequelle fungieren.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Der dritte Grund, der für den Einsatz von Simulation spricht, ist das Einsparen unzähliger Prototypen für Tests und Verifikationszwecke. Ein Beispiel ist der „Nagelpenetrationstest“, bei dem ein Kurzschluss durch das gezielte Einschlagen eines Nagels in einen Akku erzeugt wird.

 

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Schematische Darstellung eines Nagelpenetrationstests. Der vergrößerte Bereich zeigt die Kontaktfläche zwischen Nagel und Elektrode sowie die Stromrichtung.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Die Verlegung solch einer Testreihe in die virtuelle Welt ist nicht nur günstiger und schneller, sondern offensichtlich auch bedeutend sicherer.

Die Voraussetzung für die volle Entfaltung der drei genannten Vorteile der Simulation für die Entwicklung der Akkutechnik von morgen ist ein Simulationstool, das alle beteiligten Prozesse korrekt abbildet. Neben der Elektrochemie müssen z.B. der Wärmetransport oder bei Bedarf auch strukturmechanische Wechselwirkungen eingebunden werden können. COMSOL Multiphysics ist eine Softwareplattform,

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Übersicht über die Möglichkeiten und Tools der COMSOL Multiphysics Softwareplattform

 

 

 

 

 

 

 

 

 

die Module für alle in Frage kommenden physikalischen und chemischen Effekte bereitstellt und bei der alle diese Effekte frei miteinander gekoppelt werden können – ein mächtiges Leistungsmerkmal, das als Multiphysik bezeichnet wird.

Das kostenfreie Webinar Simulation von Akkus der nächsten Generation am 05.12.2017 um 14:00 hat den Einstieg in die Akkusimulation mit COMSOL zum Thema. Melden Sie sich hier zum Webinar an.

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