Numerische Untersuchungen zum Einfluss der Aktivmaterialpartikelmorphologie auf die stofflichen Transportvorgänge in Lithium-Ionen Batterien

Die leistungsbestimmenden Ladungs- und Stofftransportprozesse in Lithium-Ionen Batterien sind auf der partikulären und subpartikulären Ebene im Mikro- und Nanometerbereich lokalisiert. Diese Prozesse sind experimentell schwer zugänglich, weswegen für die Untersuchung morphologischer Einflüsse auf die Leistungsfähigkeit von positiven Lithium-Ionen Batteriehalbzellen in dieser Arbeit ein dreidimensional ortsaufgelöstes, elektrochemisches Modell Anwendung findet. Ein Modellvergleich mit einem homogenisierten Newman-Modell dient der Verifikation des verwendeten ortsaufgelösten elektrochemischen Modells, was die Anwendbarkeit des Modells auf weiterführende Fragestellungen erlaubt. Die Analyse der Simulationsergebnisse nicht-sphärischer Lithium-Mangan-Oxid-Spinell (LMO) Partikel mit unterschiedlicher Form und Größe zeigt, dass der Einfluss der Partikelstruktur auf die nutzbare Kapazität mit steigender Entladerate zunimmt. Dabei wirken sich kurze Diffusionslängen im Feststoff, wie etwa bei Ellipsoiden, positiv auf eine homogene Lithiierung der Partikel aus. Hingegen erweisen sich spitzwinklige Ecken und Kanten von Partikeln als negativ in Bezug auf das Erreichen hoher nutzbarer Kapazitäten. Bei identischem Partikelaufbau, zeigt sich, dass die nutzbare Kapazität der Partikel mit größeren äußeren Abmessungen sinkt. Darüber hinaus lässt sich ein positiver Zusammenhang zwischen der volumenspezifischen Oberfläche und der nutzbaren Kapazität eines Partikels feststellen. Die Ergebnisse der Untersuchung rauer Lithium-Nickel-Mangan-Kobalt-Oxid (NMC) Partikel zeigen, dass für geringe Entladeraten