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Ziel und Struktur von SiMET

Im Graduiertenkolleg „SiMET“ arbeitet eine interdisziplinär zusammengesetzte Grup­pe von Kollegiatinnen und Kollegiaten daran, eine substantielle Verbesserung von Modellen und Simulationsmethoden für das gekoppelte mechanisch-elektrisch-ther­mische Ver­hal­ten von Lithium-Ionen-Batterie­zellen zu erreichen. Die Arbeiten zeichnen sich durch konsequent skalen- und diszi­­plin­übergreifende Ansätze und durch direkten Zugriff auf umfassende experimentelle Parametrierungs- und Validierungsmöglichkeiten aus.

Die Aufgabenstellung erfolgt dabei aus der Sicht der Ingenieurwissenschaften, welche die Methodenkompetenz der Materialwissenschaften und der Naturwissenschaften Mathematik, Physik und Chemie einbezieht. Dabei soll die Prädik­tionsfähigkeit von Modellen für das normale Betriebsverhalten einer Batteriezelle und die Entwicklung geeigneter Simulationsmethoden im Fokus stehen, aber auch strukturell beeinflussbare Zell­ei­gen­schaften und Schädigungseffekte betrachtet werden. Experimentell unterstützte Parameterbestimmung und Modellvalidierung sind in das Forschungsprogramm eingebettet. Aufgrund der zahlreich vor­han­denen disziplinspezifischen Ansätze erscheint das Thema ideal geeig­net, um von jungen Forscherinnen und Forschern durch Erlernen dieser Ansätze und deren kreative Weiterentwicklung und Verknüpfung eigenständig bearbeitet zu werden. Die hohe Aktualität und Vielseitigkeit der Batterietechnik, der Bedarf an interdisziplinär qualifiziertem Personal in Industrie und Forschung und unser alltäglicher Kontakt zu Lithium-Ionen-Batterien machen das Thema attraktiv für exzellente Absolventinnen und Absolventen aus allen o.g. Disziplinen.

Die wissenschaftlichen Methoden und Fragestellungen des Graduiertenkollegs leiten sich aus dem Aufbau und der Funktionsweise einer Lithium-Ionen-Batteriezelle ab, welche durch eine ausgeprägte Multi-Skalarität gekennzeichnet ist. Wir betrachten im Kolleg die Einzelzelle als größte Skala. Innerhalb der Zelle lassen sich zwei weitere wesentliche Skalen identifizieren, die Aktivmaterial-Partikel und weitere Bestandteile in den positiven und negativen Elektroden sowie das Elektrodenpaar (bestehend aus porösen Elektroden, Separator, Elektrolyt und Stromableitern).

Die Lithium-Ionen-Batterie­zel­le weist aber nicht nur die eben skizzierte Multi-Skalarität auf, sie ist auch ein ausgesprochen multi-physika­li­sches Sys­tem. Innerhalb der fes­ten Phasen wie den Aktivmaterial-Partikeln, in der porösen Matrix der Elektroden und des Separators, in fluiden Phasen wie dem Elektrolyten und an deren vielfältigen Grenzflächen laufen elektrische, elektrochemische, ther­mische und me­chanische Prozesse ab, die stark und nichtlinear mitein­ander gekoppelt sind. Im Rahmen des Graduiertenkollegs Si­MET ver-wenden wir in diesem Zusammenhang den Begriff der Multi-Dis­ziplinarität, auch um die Zusammensetzung der Antragstellerinnen und -steller und die angestrebte Herkunft der Kollegiatinnen und Kollegiaten zu cha­rakterisieren. Aus der beschriebenen Multi-Skalarität und der Multi-Disziplinarität ergibt sich konsequent die thematische Struk­tur von SiMET (siehe Abbildung 1). Die Skalen werden jeweils einer Ebene zugeordnet, die Disziplinen finden sich in den Modellansätzen wieder, welche die drei Säulen bilden.

 

 

Abbildung 1: Grundstruktur von SiMET als Ergebnis einer multi-skaligen und
multi-disziplinären Betrachtung der Lithium-Ionen-Batteriezelle

 

SiMET zielt auf eine schrittweise Weiterentwicklung und Zusammenführung dieser Stränge. Eine Übersicht der Promotionsthemen (PT) sowie die jeweils Verantwortlichen findet sich auf der Seite Promotionsthemen. Abbildung 2 zeigt die Einordnung der Themen in die Struktur von SiMET. Hier wird die skalen- und disziplinübergreifende Ausrichtung der einzelnen Themen und des gesamten Kollegs nochmals deutlich.

 

 

Abbildung 2: Einordnung der Promotionsthemen (PT) in die Skalen- und Disziplin-übergreifende SiMET-Struktur: Titel, Themenpaten und Methoden sind auf der Seite Promotionsthemen zusammengefasst. Verknüpfungen sind durch graue Linien angedeutet.