Mit Simulationen mehr aus der Batterie herausholen

Moderne Simulationstools und neuartigen Messtechniken, um die Weiterentwicklung der Batteriezellen von Elektroautos voranzutreiben

04.04.2025

Die physikbasierte Simulationssoftware BEST des Fraunhofer ITWM bietet tiefere Einblicke in die inneren elektrochemischen Transportvorgänge für verschiedenste Zellformate von Li-Ionen-Batterien.

Fraunhofer ITWM

Mit innovativen Technologien nehmen Forschende des Fraunhofer-Instituts für Techno- und Wirtschaftsmathematik ITWM das Batterieverhalten beim Laden- und Entladen, die Optimierung der Batterieproduktion sowie das Altern von Batterien in den Fokus. Sie nutzen moderne Simulationstools und neuartigen Messtechniken, um die Weiterentwicklung der Batteriezellen von Elektroautos voranzutreiben.

Zentraler Bestandteil von Batteriezellen sind die Elektroden. Die mikroskopische Struktur der Elektroden hat einen entscheidenden Einfluss auf das Verhalten der gesamten Batteriezelle. Die Simulationssoftware BEST des Fraunhofer ITWM ermöglicht es, die dreidimensionale Mikrostruktur von Elektroden detailliert nachzubilden. Durch diese Simulationen gewinnen unsere Forschenden wichtige Erkenntnisse über das Verhalten der Batteriezelle: »Wir können damit Vorhersagen treffen, wie sich die Zelle beim Laden und Entladen verhält und anschließend gezielt zu optimieren, um die Leistung und Effizienz der Batterie zu verbessern«, erläutert Dr. Jochen Zausch, Teamleiter »Elektrochemie und Batterien«.

Batteriealterung simulativ vorhersagen

Batteriezellen altern sowohl bei der aktiven Nutzung als auch bei der Lagerung. Dabei gibt es sehr viele Faktoren, die das Alterungsverhalten beeinflussen. Beispielsweise können durch die mechanische Belastung während des Betriebs Teile der Zelle inaktiv werden, sodass sie nicht mehr zum Ladungsaustausch beitragen. Darüber hinaus finden chemische Nebenreaktionen statt, welche einen Kapazitätsverlust und einen erhöhten Innenwiderstand zur Folge haben, was zum Leistungsverlust führt. »Wir arbeiten daran, ein besseres Verständnis für die Zellen aufzubauen und erforschen, wie man diese speziellen Alterungsprozesse verlangsamen kann, um langfristig Ressourcen und Energie in der Batterieproduktion zu sparen«, erläutert Dr. Falco Schneider, Experte für die Batteriezellalterung. Verschiedene Alterungsmodelle und Analysemethoden sind in der neuesten Version der Software BEST integriert.

Simulationsgestützte Optimierung der Batterieproduktion

Zusätzlich haben die Forschenden des Fraunhofer ITWM die Batterieproduktion im Blick, die unter anderem in dem von der Landesregierung geförderten Projekt »Digitalisierung der Batteriezell-Produktion zur Erstellung eines Batteriezwillings für die gesamte Produktlebensdauer«, abgekürzt DiBaZ, vorangetrieben wird. Ein wesentlicher Aspekt ist die Simulation und Optimierung der zentralen Schritte bei der Produktion von Batterien, wie beispielsweise das Kalandrieren der Elektroden, die Elektrolytbenetzung und die Formierung der Batteriezellen oder auch das Ausschäumen der Module zur Isolation, bei der bewährte Tools wie FeelMath, FLUID sowie FOAM zum Einsatz kommen.

In DiBaZ werden verschiedene Kompetenzen am Fraunhofer ITWM zusammengeführt, um einen digitalen Zwilling für alle Prozessschritte der Batteriefertigung zu entwickeln. »Durch die Arbeiten in diesem Projekt können wir unseren Industriepartnern Methoden und Modelle anbieten, die nicht nur Prozesse aus der Batterieproduktion simulieren, sondern auch eine zerstörungsfreie Qualitätskontrolle ermöglichen sowie Energiemanagement mit prädiktiver Regelung beinhalten«, erläutert Dr. Konrad Steiner, Koordinator des Projekts.

Qualitätssicherung in der Batterieproduktion

Außerdem hat das Fraunhofer ITWM seine Terahertz-Messtechnik weiterentwickelt und bietet neue Möglichkeiten zur Beschichtungskontrolle von Batteriezellen. Inspektionssysteme auf Grundlage von Terahertz arbeiten als optische Verfahren berührungslos und zerstörungsfrei. Besonders wichtig: Sie sind auch völlig unbedenklich für die Gesundheit. »Die Ergebnisse von Versuchen zur Terahertz-Messtechnik sind vielversprechend und zeigen das große Potenzial dieser Technologie für die Produktion von Batteriezellen«, so Dr. Joachim Jonuscheit, stellvertretender Abteilungsleiter »Materialcharakterisierung und -prüfung« am Fraunhofer ITWM.

Präsentation auf der Battery Show Europe 2025

Auf der Battery Show Europe 2025 vom 03. bis 5. Juni sind die Experten mit einem Exponat zur Inline-Schichtdickenmessung der Beschichtung von Batteriefolien vertreten. Außerdem präsentieren die Forschenden in Stuttgart die neuesten Entwicklungen unseres Simulationstools BEST sowie Möglichkeiten der physikalischen Zellsimulation und der Simulation von Batterieproduktionsprozessen.

https://www.chemie.de/news/1185964/mit-simulationen-mehr-aus-der-batterie-herausholen.html