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Dendriten mit numerischer Simulation in Schach halten

Numerische Simulationen treiben die Entwicklung neuer Ansätze in der Lithium-Ionen-Akku-Forschung voran.

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Von Sarah Fields
Juli 2019

Lithium-Ionen-Akkus gibt es in Form von laminierten Lithium-Ionen-Akkus für mobile elektronische Geräte, zylindrischen Akkus für industrielle Elektrowerkzeuge und anderen zylindrischen Akkus für Energiespeichersysteme. Die Forschungs- und Entwicklungsabteilung von Murata Manufacturing Co. Ltd. untersucht mithilfe von Multiphysik-Simulationen Akkus mit Lithium-Metall als negativem Elektrodenmaterial.

Dendriten, nadelförmige Wucherungen, sind ein erbitterter Gegner der effizienten Funktion von Lithium-Ionen-Akkus. Dendriten bilden sich, wenn Strom an eine Lithium-Metall-Elektrode angelegt wird. Sie können unerwünschte Nebenreaktionen verursachen, die zu Kurzschlüssen führen und die Lebensdauer des Akkus drastisch einschränken.

Die Abschwächung der Dendritenbildung ist ein aktives Forschungsgebiet der gesamten Batterieindustrie. Die meisten Forscher gehen das Problem der Sicherheitsrisiken und der geringeren Lebensdauer aufgrund von Dendritenbildung an, indem sie in irgendeiner Weise die Chemie verändern. Die Fortschritte in diesem Bereich sind jedoch schleppend, was einige Forscher dazu veranlasst hat, einen alternativen Weg einzuschlagen.

Anhand von Akkus, die Lithium-Metall als negatives Elektrodenmaterial verwenden, untersuchte Jusuke Shimura, ein Forschungsingenieur bei Murata, die Auswirkungen einer Änderung des Ladestrommusters auf die Dendritenbildung. Dieser Ansatz gewinnt in der Welt der Akkus und Energiespeicher zunehmend an Bedeutung, da sich die Branche auf die Anforderungen einer Ära der Elektrifizierung und der erneuerbaren Energien vorbereitet.

Dendriten minimieren mit Multiphysik

Lithium-Dendriten entstehen, wenn Strom an die Lithium-Metall-Elektrode angelegt wird, was zu einem Kurzschluss führt. „Um Lithium-Ionen-Akkus mit Lithium-Metall-Elektroden auf den Markt bringen zu können, muss dieses Problem gelöst werden“, sagt Shimura.

Der Schlüssel zu seinem Ansatz war die Identifizierung eines Strommusters für die Aufladung, welches das Wachstum von Lithium-Dendriten minimiert. Dieser Ansatz funktioniert, weil in der Pausenzeit zwischen den Impulsen der Konzentrationsgradient an der Grenzfläche der Elektrode abnimmt, was die Bildung von Dendriten minimiert. Auch die Einführung von Rückwärtspulsen in das Strommuster spielt eine wichtige Rolle, da diese die gebildeten Dendriten wieder auflösen.

Um die elektrochemischen Effekte in seiner Geometrie zu erfassen, nutzte Shimura die Möglichkeiten von COMSOL Multiphysics® zur Akku-Modellierung. Er nutzte eine Kombination aus experimentellen Daten und Simulationen, um das optimale Lademuster zu ermitteln. Viele Forscher haben sich mit dieser Herausforderung aus chemischer und materieller Sicht befasst. Um in diesem Bereich voranzukommen, wollte Shimura ein grundlegendes Verständnis seines physikalischen Systems auf experimentellem Wege erreichen. Es war für ihn wichtig, die Form der Dendritenbildung im Lauf der Zeit zu verstehen. Zu diesem Zweck schuf er eine röntgenstrahlentaugliche laminierte Zelle, die in ihrer Elektrolytmembran ein Kontrastmittel enthielt, und maß die Bildung von Dendriten visuell (Abbildung 1).

„Ich habe eine laminierte Zelle geschaffen, die mit Röntgen-Computertomographie abgebildet werden konnte, so dass ich wusste, wo sich die Dendriten bilden. Dann habe ich COMSOL® verwendet, um das beste Pulsmuster für die Aufladung zu finden, um das Dendritenwachstum auf der Grundlage der Form und Größe der gebildeten Dendriten zu begrenzen“, erklärt Shimura.

Mit den Daten aus der Röntgen-Computertomographie erstellte Shimura ein Modell einer Lithium-Metall-Zelle und analysierte die Auswirkungen einer Änderung des Strommusters. Die Ergebnisse zeigten, wie viel Lithium-Metall sich auf dem Dendriten absetzte (Abbildung 2).

Mithilfe der Multiphysik-Modellierung bewertete Shimura verschiedene Strommuster, um das Strommuster mit der langsamsten Rate der Dendritenbildung zu bestimmen (Abbildung 3). Mit dieser Methode konnte er untersuchen, wo sich durch einen Zyklus des Pulsmusters mehr Lithium ablagert - an der Elektrodenoberfläche mit planarer Diffusion (unterer Teil von Abbildung 3) oder an Dendriten mit kugelartiger Diffusion (linker Teil von Abbildung 3). Er fand schließlich heraus, dass eine Wiederholung des Rückwärtspulses für 20 Sekunden, der Aus-Zeit für 10 Sekunden, des Vorwärtspulses für 20 Sekunden und der Aus-Zeit für 10 Sekunden das geringste Dendritenwachstum zur Folge hatte (Abbildung 4).

„Mit diesem Muster konnten wir die Wachstumsrate der Dendriten auf weniger als ein Drittel reduzieren. Wie wir erwartet hatten, wurde dies allein durch die Änderung des Lademusters erreicht - die Chemie blieb gleich“, erklärt Shimura.

Die Simulation von Shimura basierte auf der experimentell ermittelten Dendritengröße und nutzte die Akku-Modellierungsmöglichkeiten von COMSOL Multiphysics, die die konzentrationsabhängige Butler-Volmer-Gleichung zur Modellierung der Elektrodenreaktionen und gekoppelte Diffusions-Migrations-Gleichungen zur Modellierung des Lithium-Ionen-Transports verwenden.

Akkus für die Zukunft

Mithilfe von Simulationen fand Shimura das beste Pulsmuster zum Laden eines Lithium-Ionen-Akkus mit einer Lithium-Metall-Elektrode. Verglichen mit der Anwendung von Gleichstrom verbesserte dieser Ansatz die Lebensdauer des Akkus um mehr als das Dreifache. „Dank COMSOL konnten wir mit einer auf Grundsätzen basierenden Simulation zeigen, dass das optimierte Lademuster die Lebensdauer des Akkus verbessert“, sagt Shimura.

Shimura geht davon aus, dass die Multiphysik-Simulation auch in Zukunft eine wichtige Rolle bei der Aufrechterhaltung des hohen Forschungstempos spielen wird und schließt: „Wir freuen uns darauf, COMSOL weiterhin zu nutzen, um die Vorteile optimierter Lademuster für Akkus auf den Markt zu bringen.“