Bereich 1: Vorhersage und Optimierung
Dieser Bereich konzentriert sich auf das Verständnis, die Vorhersage und die Optimierung des Verhaltens von Energiespeichersystemen, insbesondere der darin enthaltenen Batteriezellen, sowohl unter normalen Betriebsbedingungen als auch unter Missbrauchsbelastungen. Zusätzlich zu neuen Charakterisierungsmethoden zur Analyse der mechanischen, thermischen und elektrochemischen Reaktionen entwickeln wir fortschrittliche Simulationsmodelle, die Verbesserungen bei Sicherheit, Leistung und Nachhaltigkeit unterstützen. Diese Modelle bilden die Grundlage für virtuelle Entwicklungsworkflows, die den physischen Prüfaufwand reduzieren, Designzyklen beschleunigen und robustere sowie zuverlässigere Batteriesysteme über ihren gesamten Lebenszyklus hinweg ermöglichen. Dieser Forschungsbereich ist in vier komplementäre Dimensionen gegliedert.
Scale-up und virtuelle Entwicklung
Wir schlagen die Brücke vom Einzelzellverhalten zu höheren Skalen, indem wir skalierbare, physikbasierte Modelle erstellen. Diese ermöglichen das virtuelle Prototyping von Modulen und Packs und unterstützen schnelle Designiterationen sowie die frühzeitige Identifizierung sicherheitskritischen Verhaltens.
Komponentenbasierte Zellverhaltensvorhersage
Durch die Zerlegung von Zellen in ihre Bestandteile und Materialeigenschaften generieren wir First-Principles-Vorhersagen der elektrochemischen, thermischen und mechanischen Reaktionen. Dies ermöglicht eine frühzeitige Prognose des Batterieverhaltens, noch bevor physische Zellen für experimentelle Charakterisierungen zur Verfügung stehen.
Neue Batterietechnologien
Wir untersuchen Technologien der nächsten Generation wie Festkörper- und Natrium-Ionen-Batterien. Hierbei analysieren wir, ob die für bekannte Batterien wie Lithium-Ionen-Akkus mit flüssigem Elektrolyten entwickelten Methoden auch für diese neueren Technologien anwendbar sind. Unsere Modelle und Charakterisierungsmethoden dienen dem Technologievergleich, der Bewertung des Reifegrades sowie der Identifizierung potenzieller Leistungs- und Sicherheitsvorteile.
Multiphysikalische Charakterisierung und Modellierung
Wir entwickeln und integrieren Modelle, welche die Wechselwirkungen zwischen mechanischer Verformung, Wärmeerzeugung und -abfuhr sowie elektrochemischen Prozessen erfassen. Dieser multiphysikalische Ansatz ermöglicht ein tieferes Verständnis des komplexen Batterieverhaltens unter realen Bedingungen.
Bereich 2
Degradationsmechanismen
Bereich 2 untersucht die Alterungs- und Degradationsmechanismen von Batteriesystemen und sicherheitsrelevanten Komponenten. Dabei werden prädiktive Modelle und beschleunigte Alterungsmethoden entwickelt, die die Degradation mit sicherheitskritischen Schwellenwerten verknüpfen, um Veränderungen der Sicherheitsmargen über die gesamte Batterielebensdauer zuverlässig zu bewerten und vorherzusagen.
Bereich 3
Monitoring and Failure Prognosis
Bereich 3 entwickelt Diagnosestrategien sowie physikbasierte und datengesteuerte Modelle zur Überwachung des Batteriezustands und zur Definition eines Sicherheitszustands (State of Safety, SOS). Dies ermöglicht die Vorhersage der Sicherheitsentwicklung und der verbleibenden sicheren Nutzungsdauer (Remaining Safe Useful Life, RSUL), um die Früherkennung von Risiken, vorausschauende Wartung, adaptiven Betrieb und einen optimierten Second-Life-Einsatz zu unterstützen.
