Das COMET-Modul BattLab kombiniert die Methoden aus der Multiphysik Werkstoffsimulation mit den Grundlagen der Polymerwissenschaft, um die Basis für die Hochleistungsbatteriesysteme der Zukunft zu schaffen.

Im Kontext des aktuellen Klimawandels wurde die Batterieforschung als wichtige Voraussetzung für den Übergang zu einer kohlenstoffneutralen Gesellschaft identifiziert. Batterien ermöglichen die Elektromobilität und fördern eine stärkere Durchdringung der erneuerbaren Energien. Batterien sind jedoch komplexe Multimaterialsysteme, und die Fortschritte in der Forschung halten derzeit nicht mit den hohen Anforderungen an Leistungsdichte und Sicherheit Schritt. Die derzeitigen Fortschritte bei der Untersuchung einzelner Komponenten eines komplexen Multimaterialsystems sind limitiert, da das resultierende Systemverhalten nicht abgeschätzt werden kann. Die Ergebnisse der Systemsimulation sind oft zu stark vereinfacht und berücksichtigen keine lokalen Effekte. Beabsichtigte Verbesserungen können daher unerwartet eine negative Wechselwirkung mit anderen Systemkomponenten haben, die sich erst bei der Qualifizierung oder, noch schlimmer, im Betrieb zeigt.

Battlab wird daher die Entwicklung neuer Batteriegenerationen durch einen virtuellen Ansatz vorantreiben, der basierend auf den Polymerwissenschaften eine tiefgreifende Systemphysik auf mehreren Maßstabsebenen berücksichtigt. BattLab wird eine effiziente Methode zur Vorhersage des Einflusses einzelner Anpassungen auf das Gesamtsystemverhalten einführen, indem ein globales Modell mit detaillierten lokalen Modellen in vollem Umfang automatisiert gekoppelt wird. Die Herausforderungen bei der Umsetzung liegen einerseits in der für den Ansatz erforderlichen Multidisziplinarität (Chemie, Elektrochemie, Materialphysik, konstitutive Modellierung, numerische Algorithmen, maschinelles Lernen usw.) und andererseits in der Relevanz und den Auswirkungen kleiner Variationen auf der Mikroebene.

Der BattLab-Ansatz verfolgt drei übergeordnete Ziele: (i) Funktionelle polymere Materialien, die ein neues Sicherheitsniveau für Batteriesysteme einführen, (ii) Identifizierung und Modellierung von Degradation auf Batteriezellenebene, (iii) Ein virtuelles Material- und Designbewertungstool mit einer vollumfänglichen Verknüpfung des globalen Modells mit lokalen Auswertungen. Dementsprechend werden drei Teilprojekte definiert, die eng miteinander verknüpft sind, da einerseits die virtuelle Vorhersage die Grundlage für die maßgeschneiderte Materialentwicklung bildet und andererseits das gemessene Materialverhalten die Basis für die Kalibrierung der konstitutiven Materialmodelle darstellt. Darüber hinaus bildet die Simulation auf lokaler Ebene die Grundlage für homogenisierte Simulationen auf globaler Ebene und für das Training eines auf einem neuronalen Netz basierenden lokalen Metamodells. Diese lokalen Metamodelle wiederum erlauben die vollumfängliche detaillierte Bewertung der globalen Simulationsergebnisse.

Ausgewählte Beispiele für potenzielle Innovationen, die durch BattLab-Ergebnisse initiiert werden sind u. a.: (i) neue effiziente Systeme zur Überwachung der Batteriesicherheit auf der Grundlage funktioneller Polymerbeschichtungen, die Tracer-Moleküle freisetzen, (ii) funktionelle temperatur- und druckgesteuerte Verbundwerkstoffe zur thermischen Isolierung von Zellen, (iii) genaue und effizient kalibrierte Simulationsmodelle für den "Gesundheitszustand" von Batterien, die eine zirkuläre Batteriewirtschaft ermöglichen, indem sie Daten für ein zweites Leben und Recyclingstrategien liefern, (iv) ein Optimierungswerkzeug für die Zelldegradation auf der Grundlage parametrisierter Vorhersagemodelle und (v) ein Simulationsansatz, der das globale Verhalten komplexer Multimaterialsysteme mit kritischen lokalen Fehlern verbindet. Der geplante BattLab-Ansatz wird neue Batterietechnologiekonzepte ermöglichen und als virtuelles Labor zur Beschleunigung der Entwicklung von Batteriematerialien und -designs dienen.