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 aus der Sicht der Ingenieurwissenschaften, welche die Methodenkompetenz der Materialwissenschaften und der Naturwissenschaften Mathematik, Physik und Chemie einbezieht. Die Prädik­tionsfähigkeit der Modelle zielt nicht nur auf das normale Betriebsverhalten, sondern in den aktuellen Promotionen zunehmend auch auf Schädigungs- und Alterungseffekte. Experimentell unterstützte Parameterbestimmung und Modellvalidierung sind in das Forschungsprogramm eingebettet. Aufgrund der zahlreich vor­han­denen disziplinspezifischen Ansätze ist 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 skizzierte Multi-Skalarität auf, sie ist auch ein ausgesprochen multi-physika­li­sches Sys­tem. Innerhalb der fes­ten Phasen der den Aktivmaterial-Partikel, in der porösen Matrix der Elektroden und des Separators, in fluiden Phasen wie dem Elektrolyten und an deren vielfältigen Grenzflächen laufen elektrische, elektrochemische, ther­mische, me­chanische und fluiddynamische Prozesse ab, die stark und nichtlinear mitein­ander gekoppelt sind. Wir verwenden dafür in Si­MET den Begriff der Multi-Dis­ziplinarität, auch um die Zusammensetzung unserer Mitglieder zu cha­rakterisieren.

Aus der beschriebenen Multi-Skalarität und der Multi-Disziplinarität ergibt sich konsequent die thematische Struk­tur von SiMET. Diese ist in Abbildung 1 dargestellt. 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

In diese Grundstruktur sind Promotionsthemen (PT) für Doktorandinnen und Doktoranden sowie sogenannte Basisthemen (BT) für Postdocs eingebettet. Für die aktuell laufenden Promotionsthemen der 2. Generation ist dies in Abbildung 2 gezeigt. Durch die vielfältigen Verknüpfungen wird nicht nur der Raum für kreative Entfaltung der Kollegiatinnen und Kollegiaten geschaffen, sondern auch ein deutlicher wissenschaftlicher Mehrwert gegenüber Einzelprojekten realisiert. Eine Übersicht der Promotionsthemen sowie die jeweils Verantwortlichen findet sich auf der Seite Promotionsthemen.

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 rote Linien dargestellt.