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DLR: Bessere Digitalisierungsmethoden für die Entwicklung von Zukunftsbatterien

Batterietechnologien werden inzwischen in allen mobilen Anwendungen zu Lande, zu Luft und zu Wasser eingesetzt.  Konventionelle Lithium-Ionen-Batterien auf der Basis von flüssigen Elektrolyten werden kontinuierlich optimiert, stoßen aber an ihre physikalischen Grenzen bezüglich der pro Volumen gespeicherten Energie und Leistung. Eine mögliche Alternative stellen Festkörperbatterien dar.

Seit November 2021 geht das Verbundprojekt TheoDat im Kompetenzcluster für Festkörperbatterien „FestBatt“ des Bundesministeriums für Bildung und Forschung in die zweite Förderphase.

Festkörperbatterien

Festkörperbatterien sind ein vielversprechendes Konzept zur Weiterentwicklung von aktuell verfügbaren Batterien. Sie sind konventionellen Lithium-Ionen-Batterien mit flüssigem Elektrolyten sehr ähnlich und unterscheiden sich von ihnen hauptsächlich dadurch, dass statt des flüssigen Elektrolyten ein fester Elektrolyt oder kurz „Festelektrolyt“, meistens ein Keramikmaterial, zum Einsatz kommt.

Dieser Unterschied beinhaltet mehrere Vorteile: Festkörperbatterien haben langfristig höhere Speicherkapazitäten, kürzere Ladezeiten, sind leichter und deutlich kleiner und bieten mehr Sicherheit, da interne Kurzschlüsse und dadurch induzierte Feuer sehr viel einfacher vermieden werden können als bei konventionellen Lithium-Ionen-Batterien.

Für den kommerziellen Erfolg und die Massenproduktion von Festkörperbatterien müssen eine Reihe von wissenschaftlichen und technologischen Herausforderungen noch gelöst werden. Hier setzt der vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) geförderte Kompetenzcluster FestBatt an, an dessen erster Förderphase mehr als 100 Forscherinnen und Forscher aus unterschiedlichen Forschungseinrichtungen beteiligt waren. FestBatt wird von Prof. Dr. Jürgen Janek vom Zentrum für Materialforschung der Justus-Liebig-Universität Gießen koordiniert. Das Projekt ist Teil des Dachkonzepts „Forschungsfabrik Batterie“ des Bundesministeriums für Bildung und Forschung (BMBF), dessen Ziel es ist, die technologische Souveränität Deutschlands in der Batterietechnologie zu sichern.

In einem ersten Schritt wurden erfolgreich die wissenschaftlichen Grundlagen der Materialsysteme von Festelektrolyten als Kernkomponente von Festkörperbatterien erarbeitet. Im Mittelpunkt der zweiten Phase steht nun die Entwicklung von Zellkonzepten und ganzen Festkörperbatteriezellen auf der Basis dieser Elektrolyte und der dafür notwendigen Material- und Prozesstechnologie. Hierfür setzt das BMBF die Förderung des Kompetenzclusters „FestBatt“ ab November 2021 mit insgesamt rund 23 Millionen Euro für drei Jahre fort. Insgesamt 17 wissenschaftliche Einrichtungen – hierunter Universitäten, Helmholtz-Zentren sowie Institute der Fraunhofer-Gesellschaft und der Max-Planck-Gesellschaft – sind an dem Kompetenzcluster beteiligt.

Theorie- und Datenplattform (FB2-TheoDat)

Der Kompetenzcluster „FestBatt“ besteht in der zweiten Phase aus neun Verbundprojekten. Dazu zählt auch das Verbundprojekt FB2-TheoDat.

In dem Verbundprojekt „Theorie und Daten“ werden modernste Simulations- und Digitalisierungstechniken spezifisch für Festkörperbatterien mit dem Ziel entwickelt, neue Zellkonzepte zu entwickeln und ihr Design erheblich zu beschleunigen, immer in enger Kooperation mit den weiteren Plattformen des Kompetenzclusters.

Als Partner der Plattform TheoDat bündeln die TU München, das DLR, die TU Darmstadt, das Karlsruher Institut für Technologie (KIT) und die Westfälische Wilhelms-Universität Münster ihre Kompetenzen über die gesamte Simulationskette von der atomistischen bis zur Zellskala. Dabei werden modernste datenwissenschaftliche Methoden einbezogen, um eine virtuelle Forschungsinfrastruktur für Festkörperbatterien zu schaffen. Das Verbundprojekt FB2-TheoDat wird von Professor Dr. Arnulf Latz, Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) e.V., koordiniert.

Für die beschleunigte Entwicklung neuer material- und anwendungsspezifischer Batteriezellkonzepte sind digitale Designwerkzeuge unerlässlich. Dazu müssen materialspezifische mathematische Modelle entwickelt werden. Diese besitzen die Fähigkeit, betriebsrelevante Eigenschaften der eingesetzten Festelektrolyte und die Prozesse, die während des Betriebes von Festkörperbatterien auftreten, realitätsgetreu im Computer abzubilden. Dazu ist eine enge Kopplung atomistischer Materialmodelle, komplexer Zellmodelle und datenwissenschaftlicher Ansätze notwendig. So werden die Verknüpfungen mit den experimentellen Arbeiten innerhalb der zweiten Förderphase von FestBatt garantiert.

Physikalisch-chemisch fundierte Modelle werden mit mathematischen Techniken für die Analyse großer Datensätze, wie z.B. Techniken der künstlichen Intelligenz, kombiniert. Dadurch wird eine virtuelle Forschungsumgebung geschaffen, mit deren Hilfe unterschiedliche Zellkonzepte durch Simulation und Datenanalyse bewertet werden können. Mittelfristig kann dadurch eine erhebliche Beschleunigung der Entwicklungszyklen und eine Reduktion der Entwicklungskosten von Festkörperbatterien realisiert werden.

Um dieses ambitionierte Ziel zu erreichen, werden in Zusammenarbeit von DLR und TU München neuartige strukturaufgelöste Batteriezellmodelle entwickelt. Sie werden Prozesse abbilden, die sowohl für die Alterung und Schädigung als auch die erreichbare Leistungs- und Energiedichte von Batterien verantwortlich sind. Mit Hilfe atomistischer Simulationen der TU Darmstadt und der Universität Münster werden sowohl materialspezifische Fragen der experimentellen Plattformen untersucht als auch Parameter für die Zellmodelle ermittelt.  Für die Parametrierung der Zellmodelle werden an der TU München modernste mathematische Techniken eingesetzt, die fehlende Modellparameter aus heterogenen experimentellen Daten extrahieren können. Alle Informationen werden in einer Datenbank gesammelt, die zusammen mit zusätzlichen Analysetechniken in Form einer strukturierten Daten- und virtuellen Forschungsinfrastruktur am KIT geschaffen wird.

Basierend auf den erfolgreichen materialorientierten Vorarbeiten aus der ersten Phase von FestBatt werden so die Instrumente für eine simulationsbasierte Entwicklung von komplexen Zelldesigns durch Kombination von Computersimulationen und Datenanalysetechniken geschaffen.