P1 - TRANSFER

TANSFERability of relevant properties between different LIB-cells and LIB-modules

• Entwicklung von Methoden, um numerische Modelle von Li-Ionen-Zellen zeiteffizienter und genauer zu machen:
  • Motivation:
    • Im Moment kommen in Impakt- und Crash-Simulationen von Li-Ionen-Batterien zwei Arten von numerischen Zell-Modellen zur Anwendung: (1) Homogenisierte, zeiteffiziente Modelle, die aber eine genaue Unterscheidung hinsichtlich Versagens-Modus und Lokalisierung nicht ermöglichen, und (2) detaillierte, rechenaufwändige Modelle, die aufgrund der hohen Anzahl an Elementen und Knoten und des geringen Zeitschritts für Gesamt-Batterie-Simulationen ungeeignet sind.
    • Daneben sind die mechanischen Eigenschaften der Zell-Einzellagen sehr komplex: Es gibt poröse, fluidgetränkte bzw. permeable Strukturen (Separator, Aktiv-Material) sowie anisotrope und hochgradig dehnratenabhängige Lagen (Separator). Deren mechanisches Verhalten und Morphologie verändern sich mit der Alterung der Zelle („State-of-Health“), dem ausgeübten Querdruck und dem Ladungszustand („State-of-Charge“) und spielen eine wichtige Rolle beim Zellversagen.
  • Ziel:
    • Entwicklung von recheneffizienten, detaillierten und physikalisch sinnvollen, numerischen Modellen von Li-Ionen Zellen, die eine genaue Prognose des Versagens-Modus und eine genaue Lokalisierung erlauben – und zwar zu einem frühen Zeitpunkt der Fahrzeugentwicklung.
  • Methoden:
    • Um die Zeiteffizienz der Modelle zu erhöhen, kommen Ansätze der Modell-Reduktion (Model-Order-Reduction), der künstlichen Intelligenz (z.B. Artificial Neural Networks) und der Multi-Skalen-Modellierung zum Einsatz.
    • Um die Genauigkeit der Modelle der Einzelkomponenten zu erhöhen, werden diese nach dem aktuellen Stand der Forschung charakterisiert und modelliert: Einflüsse der Dehnrate, der Belastungsrichtung, der Triaxialität, der Alterung und des Feuchtigkeitsgehalts werden erhoben. Bei der Charakterisierung kommen u.a. Digital-Image-Correlation und bildgebende Verfahren (Röntgenmikrotomographie) zur Anwendung, um ein Maximum an Informationen über die Materialien zu erhalten.

• Verbesserung der  Randbedingungen bei der Untersuchung des thermischen Durchgehens („Thermal Runaway“) von Zellen und der nachfolgenden thermischen Versagens-Ausbreitung („Thermal Propagation“) auf weitere Zellen.
  • Motivation:
    • Das thermische Durchgehen und das thermische Ausbreitungsverhalten von Zellen werden üblicherweise in geschlossenen Reaktoren untersucht, die mit Inertgas geflutet sind. Größere Zelleinheiten oder Module werden i.Allg. unter Freiluftbedingungen untersucht. In einem realistischen Fall kann jedoch die Luftzufuhr begrenzt sein (z. B. wenn das Batteriegehäuse nur teilweise undicht wird). In Abhängigkeit von der Luftzufuhr kann sich die thermische Versagens-Ausbreitung deutlich unterscheiden.
  • Ziel:
    • Erhöhung der Sicherheit für Fahrzeug-Insassen und -Umgebung beim Zellversagen durch Eingrenzung
  • Methoden:
    • Größere Zelleinheiten werden in einem geschlossenen Reaktor mit inerter und reaktiver Gasumgebung untersucht. Dabei kommen neben unterschiedlichen Auslöse-Methoden (thermisch, mechanisch, elektrisch) für ein thermisches Durchgehen auch unterschiedliche Eingrenzungsmethoden (z.B. Mica-Papier) zum Einsatz.
    • Zusätzlich wird der Einfluss einer kontrollierten Frischluftzufuhr in einem Prüfstand untersucht, der im Zuge von SafeLIB P1 entwickelt wird.