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This article presents the development, parameterization, and experimental validation of a pseudo-three-dimensional (P3D) multiphysics model of a 350 mAh high-power lithium-ion pouch cell with graphite anode and lithium cobalt oxide/lithium nickel cobalt aluminum oxide (LCO/NCA) blend cathode. The model describes transport processes on three different scales: Heat transport on the macroscopic scale (cell), mass and charge transport on the mesoscopic scale (electrode pair), and mass transport on the microscopic scale (active material particles). A generalized description of electrochemistry in blend electrodes is developed, using the open-source software Cantera for calculating species source terms. Very good agreement of model predictions with galvanostatic charge/discharge measurements, electrochemical impedance spectroscopy, and surface temperature measurements is observed over a wide range of operating conditions (0.05C to 10C charge and discharge, 5°C to 35°C). The behavior of internal states (concentrations, potentials, temperatures) is discussed. The blend materials show a complex behavior with both intra-particle and inter-particle non-equilibria during cycling.
Ziel des Projekts STABIL war die Vorhersage der Alterung und Verbesserung der Lebensdauer von mobilen und stationären Lithium-Ionen-Batterien. Batterien sind zentrale Komponenten der Elektromobilität und der stationären Speicherung von regenerativem Strom. Die im Stand der Technik unzureichende Lebensdauer der Batterie ist heute wesentlicher Kostentreiber. Im Projekt wurde daher in einem skalenübergreifenden und interdisziplinären Ansatz das Verhalten von einzelnen Batteriezellen und ganzen Batteriesystemen unter zwei unterschiedlichen systemischen Randbedingungen untersucht.
Ziel des LiBaLu-Teilprojekts Modellierung und Simulation war die Unterstützung der Elektroden- und Zellentwicklung mit Hilfe umfangreicher Computersimulationen im Sinne des computergestützten Engineering (CAE). Zwei verschiedene Schwerpunkte standen im Mittelpunkt der Untersuchungen. Zum einen wurde das mechanistische Verständnis der komplexen Elektrochemie in Lithium-Luftbatterien durch mikrokinetische Modelle aufgeklärt. Auf Basis von postulierten Mehrschrittmechanismen wurden makroskopische Eigenschaften (Entlade-/Ladekennlinien, Zyklovoltammogramme) vorhergesagt und mit experimentellen Daten der Projektpartner verglichen. Zum anderen wurde das Design der Prototypzelle mit Hilfe numerischer Simulationen untersucht und optimiert. So konnten z. B. optimale Schichtdicken oder die Rolle von Gastransportlimitierungen identifiziert werden.