Hexagon hat eine neue Lösung für das Design von Akkuzellen angekündigt: Diese kombiniert die elektrochemische Simulationstechnologie von Fraunhofer ITWM mit Hexagons multiphysikalischer Materialsimulations- und Messsoftware, um neue Forschungs- und Entwicklungsprogramme für Akkuzellen erheblich zu beschleunigen.
Die Markteinführung eines neuen Akku-Zellprodukts ist äußerst komplex und zeitaufwändig. Die F&E-Prozesse sind langwierig und umfassen die Konzeption von Experimenten (DoE) unter Verwendung von First-Principle-Simulationen. Dadurch werden neue elektrochemische Designs gefunden, die durch physikalische Versuch-und-Irrtum-Verfahren in einem Labor getestet werden. Es gibt viele Schritte im Zellenherstellungsprozess, die sich nicht nur auf die Ausschussrate, sondern auch auf die Leistung der Zelle auswirken können.
Das neue elektrochemische Design von Akkuzellen von Hexagon integriert den Solver des Akku- und Elektrochemiesimulationstools (BEST) von Fraunhofer ITWM in die Digital Materials Suite von Hexagon. Dies ermöglicht eine effiziente multiphysikalische Erforschung von Zelldesigns unter Berücksichtigung der Auswirkungen von Fertigungsprozessen.
Dieses „virtuelle Labor“ bietet erhebliche Kosten- und Produktivitätsvorteile. Über eine einzige Benutzeroberfläche können Kunden die Mikrostruktur der Elektroden bis hin zur kompletten Zellmontage (Elektrolyt, Separator, aktives Material, Bindemittel, Stromabnehmer) aus einer eingebetteten Bibliothek von Akku-Materialien modellieren. Darüber hinaus können die Auswirkungen von Änderungen der Materialeigenschaften und der Mikrostruktur des Akkus untersuchen werden, einschließlich:
• Verbesserung der Leistungsergebnisse wie Energieeffizienz, Lebensdauer, optimale Ladeprotokolle durch Auswahl geeigneter Materialien und Konfigurationen, sowie der Verteilung der Partikelgröße und des Kohlenstoffbinders
• Untersuchung der Auswirkungen von Fertigungsprozessen auf die Zellmikrostruktur, sowie der Fähigkeit, die interne Struktur gefertigter Zellen aus einem CT-Scan mit der leistungsstarken VGSTUDIOMax 3D-Messsoftware von Hexagon zurückzuentwickeln
• Untersuchung der Akku-Alterung und der Sicherheitsauswirkungen des Zelldesigns zur Erstellung eines optimalen Ladeprotokolls für das Akku-Managementsystem
Guillaume Boisot, Senior Director Materials & Platforms, kommentiert: „Das Design und die Entwicklung von Zellen bringt aufgrund der komplexen Kompromisse zwischen Materialien, elektrochemischem Design, mechanischem Design und Herstellungsprozessen erhebliche Herausforderungen mit sich. Ein Großteil dieses komplexen Prozesses beruhte in der Vergangenheit auf Versuch und Irrtum. Doch durch unsere Partnerschaft mit Fraunhofer ITWM können wir F&E-Teams zu leistungsfähigeren Designs von Akkuzellen verhelfen. Die Prototypen liefern schnelles Feedback und das wiederum führt zu einem insgesamt schnelleren Entwicklungsprozess.“
Subham Sett, Vice President Multiphysics bei Hexagon, fügt hinzu: „Leistung und Qualität der Akkus sind Wettbewerbsvorteile, insbesondere auf dem Automobilmarkt. Wir haben in unser Wärmemanagement und in Simulationen von unkontrollierten Prozessen investiert. Mit dieser neuen Ergänzung können wir Herstellern dabei helfen, eine ganzheitlichere Sicht auf diese multiphysikalischen Wechselwirkungen zu bekommen.“
Dr. Jochen Zausch, Fraunhofer ITWM kommentiert: „Wir haben hervorragend zusammengearbeitet, um unsere bewährten BEST-Solver-Funktionen für die Elektrochemie von Akkus in die innovative Materialmodellierungssoftware von Hexagon zu integrieren, und wir freuen uns darauf, mit diesem umfassenden Simulationsworkflow neue Akku-Innovationen schneller voranzutreiben.“
Die neue Lösung integriert den BEST-Solver von Frauenhofer ITWM in die Materialanalyse-Lösung Digimat von Hexagon – Teil der HxGN Digital Materials Suite. Über eine einzige Benutzeroberfläche können Anwendende die Elektrochemie der Mikrostruktur, des Elektrolyten und des Separators einer Zelle simulieren. Dazu gehört die Simulation von Wirkstoff, Bindemittel und Stromabnehmer für gängige Lithium-Ionen-Zellen-Konfigurationen sowie für Zink- und Natriumbatteriechemien. Dabei kommt die elektrochemische Modellierungstechnik des Fraunhofer ITWM zum Einsatz.
Digimat enthält eine Bibliothek gemeinsamer Materialeigenschaften, die innerhalb der Software oder mit der Materialdatenmanagementsoftware MaterialCenter und MaterialsConnect von Hexagon erweitert werden können. Mikrostrukturen können entweder aus CT-Scan-Analysen mit VGSTUDIOMax importiert oder direkt in Digimat erstellt werden.
Darüber hinaus können Designteams für Akkus ihr in Digimat entwickeltes Mikrostrukturmodell anwenden, um die Charakterisierung mechanischer Eigenschaften weiter zu untersuchen. Das Materialverhalten im Makromaßstab kann mit einem repräsentativen Volumenelement (RVE) bewertet werden. Dabei wird die Fähigkeit des Modells für strukturelle Analysen der Zelle erweitert, indem ein vereinfachtes Digimat-Materialmodell in die entsprechende mechanische Analysesoftware eingebettet wird. Auf diese Weise können Maschinenbauingenieure die mechanische Leistung der Gelrolle bewerten, um das mechanische Design und die Sicherheit des Akkus auf der Grundlage genauer Materialeigenschaften zu optimieren.
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