Elektrodenmaterialien und Simulation

Das Fraunhofer IPA verfügt über die nötige Kompetenz und Ausstattung zur Herstellung, Modifizierung und Handhabung von Energiespeichern mit verbesserten Eigenschaften. Mit etablierten nasschemischen, mechanischen und CVD-Verfahren sowie neueren plasmabasierten Methoden können modifizierte und etablierte Elektrodenmaterialien sowie innovative strukturierte Füllstoffe mit höherer Speicherkapazität hergestellt werden. Ein besonderes Augenmerk liegt dabei auf der Hybridisierung von Materialien. Durch die Kombination von Elektrodenmaterialien mit neuen Füllstoffen können Materialeigenschaften verbessert, Produktionsschritte eingespart und die Industrieeinführung (bisher unbekannter) neuer oder modifizierter Materialien beschleunigt werden.

Durch Simulation kann im Bereich der Materialien für Energiespeichersysteme die Leistungsfähigkeit vielversprechender Materialkombinationen ohne zeit- und kostenintensive Laborversuche untersucht werden. Dadurch lassen sich insbesondere bei Aktivmaterialien vorab essentielle Parameter wie die elektrische Leitfähigkeit und die Wärmeleitfähigkeit variieren und optimieren oder das visko-elastische Verhalten der Aktivpaste während des Beschichtungsprozesses untersuchen. Für die Simulation von Aktivmaterialkompositen wird am Fraunhofer IPA Computer Aided Engineering (CAE) und rechnergestützte Modellbildung von Nano- und Mikrostrukturen (Multiskalensimulation) genutzt. Durch die Kopplung von traditioneller FE-basierter CAE-Technologie (ANSYS Workbench) mit einer Umgebung für multiskalige Kompositmodellierung (DIGIMAT FE) können Materialparameter von innovativen Nano- und Mikrokompositen extrahiert und Materialien gezielt auf bestimmte Funktionalitäten ausgelegt werden (Stichwort »Virtual Material Design«). 

Für eine optimierte Auslegung der Fertigungsprozesse können fluiddynamische Simulationen (CFD) helfen. Beispielsweise lässt sich der Beschichtungsprozess der Elektroden virtuell nachbilden und dadurch optimale Parameter für die Viskosität und das Benetzungsverhalten der Aktivpasten finden. Diese ermöglicht es, die Effizienz der Elektrodenfertigung durch eine möglichst hohe Beschichtungsgeschwindigkeit zu steigern, ohne Abstriche in der Zuverlässigkeit und Reproduzierbarkeit hinzunehmen.