SimDural - Simulationsbasierte Sicherheitsbewertung eines unkontrollierten, thermischen Durchgehens bei gealterten Batteriezellen

Abstract

Das Hauptziel des Projekts SimDural war die Entwicklung eines simulationsbasierten Workflows für die Sicherheitsbewertung eines unkontrollierten, thermischen Durchgehens bei gealterten Batteriezellen. Dazu wurden im Rahmen des Forschungsprojekts Prototypenzellen gebaut, anschließend kontrolliert gealtert und Missbrauchsversuchen durchgeführt. Neue und gealterte Zellen wurden elektrisch charakterisiert und für eine chemische Analyse zerlegt. Für die Simulation wurden Reaktionsgleichungen und Reaktionskinetik mit unterschiedlicher Komplexität modelliert. Dabei wurde Berechnungen auf molekularer Ebene und im Kontinuum mit elektrochemischen und thermodynamischen Modellen kombiniert, wonach die Ergebnisse mit speziell entwickelten Experimenten verglichen wurden. Experimente zur Parametrierung dieser Modelle wurden in Labor- und Pouchzellen durchgeführt, inklusive der Entwicklung eines speziellen Versuchsaufbau zur Bestimmung von Gasprodukten einer erhitzten Laborzelle. Die Missbrauchsfälle wurden anhand eines proprietären physikalischen Modells der Vollzelle und anhand eines multi-physikalischen 3D-Modells mit homogenisierten Elektrodenschichten simuliert. Im Simulationsmodel wurde die reagierende, konvektive Strömung in der porösen Struktur abgebildet, inklusiv eine Änderung der Porosität durch chemische Reaktionen der festen Phase. Das Projekt wurde mit einem Proof-of-Concept des simulationsbasierten Workflows erfolgreich abgeschlossen.