Bat­te­rie-Elek­tro­den rea­lis­tisch simu­lie­ren

Eine Rasterelektronenmikroskopie-Aufnahme von kleinen Bereichen der Elektrode zeigte Details auf Nanometer-Skala. (Bild: L. Zielke, S. Thiele, HZB)

Eine Rasterelektronenmikroskopie-Aufnahme von kleinen Bereichen der Elektrode zeigte Details auf Nanometer-Skala. (Bild: L. Zielke, S. Thiele, HZB)

Einen neuen Ansatz, um Batterie-Elektroden am Computer noch realistischer zu modellieren, hat ein internationales Forscher­team unter Beteiligung des Helmholtz-Zentrums Berlin entwickelt. Die Forscher kombinierten dafür Syn­chro­tron-Tomo­gra­phie-Aufnahmen, die die drei­dimen­sionale Struktur mikro­meter­genau abbilden, mit Elek­tronen­mikro­skopie-Aufnahmen, die in einem kleinen Ausschnitt sogar Nano­struk­turen auflösen. Mit einem mathe­matischen Modell konnten sie diese Nano­struk­turen auf Bereiche außer­halb des Aus­schnitts übertragen. Dadurch lassen sich Eigen­schaften und Prozesse in Batterie-Elek­troden nun höchst realistisch simulieren.

Batterien müssen noch leichter, leistungsfähiger und günstiger werden, um eines Tages in großem Maßstab Autos anzutreiben oder Strom aus Wind und Sonne zu speichern. Eine Möglich­keit, die Entwicklung zu beschleunigen, ist das „Virtual Materials Design“: Mit einem geeigneten Computer­programm lassen sich unterschied­lichste Material­strukturen virtuell herstellen und austesten, so die Idee. Das Problem liegt aller­dings in der fehlenden Realitäts­nähe. „Das Material, das man am Computer erfindet, muss ja letzt­endlich auch in der Realität herstellbar sein“, erklärt Ingo Manke vom HZB, „das geht aber nur, wenn es auf realen Struktur­parametern beruht.“

Um Materialsysteme für Batterie-Elektroden auf Basis realer Strukturparameter im Computer zu modellieren, haben Manke und seine Kollegen zwei verschiedene tomo­graphische Verfahren zu einem multiskaligen Ansatz kombiniert. Zunächst analysierten sie eine moderne LiCoO2-Batterie-Elektrode mit Synchrotron-Tomographie an BESSY-II, so dass sie Informationen zur dreidimen­sionalen Struktur auf der Mikrometer-Skala erhielten. Zusätzlich erfassten sie mit einem Raster­elektronen­mikroskop mit fokussiertem Ionenstrahl die noch tausendmal feinere Nano-Struktur, aller­dings nur in einem sehr kleinen Ausschnitt des Materials. Mit einem mathe­matischen Modell, entwickelt von Dean Wheeler von der Brigham Young University in Utah, gelang es, diese Infor­mationen über die Nano­struktur auf die viel größere Struktur aus dem Synchro­tron-Tomo­gramm zu übertragen.

„Das kann man sich in etwa wie bei einer Tapete vorstellen, deren feine Struktur sich immer wiederholt und so die gesamte Wand bedeckt. Nur dass sich die Struktur in diesem Fall nicht wiederholt, sondern immer wieder anders berechnet wird“, erklärt Manke. Der neue Ansatz ermöglicht es, Strukturen, die in echten Batterien vorkommen, sehr realitäts­getreu in ein Computer­modell zu überführen, sodass sich wichtige Prozesse wie die Strom-Verteilung oder der Ionen-Transport virtuell unter­suchen lassen. Im nächsten Schritt sollen diese modellierten Strukturen nun schritt­weise verändert werden, um etwa die Strom-Verteilungen oder den Ionen-Transport zu verbessern. „Letzt­lich soll die Struktur, die wir am Computer optimiert haben, auch im Labor hergestellt werden können, dann werden wir testen, wie gut das Verfahren wirklich funktioniert“, so Manke. (Quelle: HZB / pro-physik.de)

Referenz: L. Zielke et al.: Three-phase multiscale modeling of a LiCoO2 cathode – Combining the advantages of FIB-SEM imaging and X-ray tomography, Adv. Energy Mater. 5, 1401612 (2015); DOI: 10.1002/aenm.201401612

Link: Imaging Group (I. Manke), Institut für Angewandte Materialforschung, Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie GmbH

 

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