De doorbraak van de elek-trische auto laat nog op zich wachten. Dit is vooral te wijten aan een centraal component, de batterij. De lithium-ion-batterijen zijn te duur, de capaciteit te gering. Nieuwe simulatiesoftware van onderzoekers van het Fraunhofer-Institut für Techno- und Wirt-schaftsmathematik (ITWM) moet helpen de ontwikkelingsprocessen te versnellen.
De Duitse overheid wil zich manifesteren als leider voor de elektromobiliteit. Tot 2020 moeten 1 miljoen personenauto’s met elektrische aandrijving op de Duitse wegen rijden. Voor de start liggen de kansen goed. Uit een enquête van de ADAC blijkt dat 64 % van de ondervraagden een elektrische auto zou kopen als ze geen concessies hoeven te doen met betrekking tot hogere kosten, comfort en veiligheid. En ze willen zeker geen concessies doen op het gebied van actieradius.
Zeker een derde van de automobilisten zou tenminste 500 km moeten kunnen rijden. En dat is nu net het probleem: tot nu toe hebben te weinig laadstations en te geringe accucapaciteit verhinderd dat elektrische voertuigen sterk in opkomst zijn. Lithium-ion batterijen, die door de meeste autoproducenten worden gebruikt, zijn te zwaar, te duur en te snel leeg. Nieuwe materialen moeten de energieopslag op de punten capaciteit, prestaties, levensduur en veiligheid verbeteren. De ontwikkeling van zulke materialen is kosten- en tijdrovend.
Onderzoekers van Fraunhofer-ITWM hebben een softwareprogramma ont-wikkeld voor de simulatie van lithium-ion batterijen, die dit proces versneld en efficiënter gestalte moet geven. BEST staat voor ‘Battery and Electrochemistry Simulation Tool’.
Opbouw
Een lithium-ion batterij bestaat uit twee poreuze elektroden, die zijn gescheiden door een met elektrolyt gevulde separator. Bij het laden en ontladen van de batterij worden tussen de elektroden lithiumionen uitgewisseld. De capaciteit van de batterij hangt af van de gebruikte materialen van de componenten. Deze moeten met elkaar harmoniëren. Uit de software kunnen ontwikkelaars verscheidene materiaalcombinaties simuleren. Op deze manier kan de geschikte samenstelling worden gevonden. Het gebruikelijke proces van ‘trial and error’ vervalt daarmee volgens de ontwikkelaars.
Het is de wetenschappers gelukt om de complete batterij plus de transport- en reactieprocessen van de lithiumionen zowel op macroscopisch als microscopisch niveau af te beelden. Ze kunnen de microscopische structuur van de elektroden laten zien. Elke porie ter grootte van 10 µm is zichtbaar te maken. Hier kan geen enkel commercieel programma aan voldoen. Ook de positie en de vorm van elektrodes is te variëren.
Als de structuur van de elektroden ruimtelijk en driedimensionaal is bepaald, zijn parameter te berekenen zoals concentratieverhoudingen van lithiumionen en elektrolytconcentraties en is de stroomdichtheid te berekenen. De bere-keningen gebeuren met een speciaal, door de ontwikkelaars geprogrammeerd Finite Volume-proces, dat in de software is geïntegreerd.
De verdeling van de stroom geeft bijvoorbeeld uitsluitsel over de warmte-productie in de batterij. Degelijke ‘hotspots’ kunnen extreem warm worden en zouden kunnen ontbranden. Deze zijn met de software snel op te sporen. Ook verouderingsverschijnselen zijn met BEST te evalueren. De temperatuur-ontwikkeling beïnvloedt namelijk de levensduur van de batterij.
Doelstelling
De onderzoekers hebben zich als doel gesteld om het programma met be-trekking tot de verouderingsmodellen verder uit te breiden om de onderzoeken nog verder te vereenvoudigen. Uiteindelijk moet BEST zowel de producent van automobielen als de fabrikant van elektrische energieopslag ondersteunen om stabiele en veilige batterijen te ontwikkelen met een groter bereik en verbeterd acceleratievermogen.
