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Allgemeine Angaben
Praktikum Modellierung von Lithium-Ionen-Zellen 
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Praktikum
4
Wintersemester 2020/21
Lehrstuhl für Elektrische Energiespeichertechnik (Prof. Jossen)
(Kontakt)
Details
Angaben zur Abhaltung
Lithium-Ionen-Zellen sind komplexe Systeme, deren wesentliche Prozesse aufwendig modelliert werden müssen. Am wichtigsten sind dabei das elektrochemische (physikochemische) und das thermische Verhalten. Da heutzutage Rechner sehr viel Leistung für wenig Kosten liefern, sind komplexe Berechnungen auch in der täglichen Anwendung keine Problemstellung mehr. Sind die wesentlichen Mechanismen in einer Zelle bekannt, können diese mit den richtigen Tools adäquat dargestellt werden.
Mit dieser Lehrveranstaltung wird den Studierenden vermittelt, Lithium-Ionen-Systeme mit den aktuellen Standardtools aus Industrie und Forschung simulieren und bewerten zu können. Dafür ist diese Lehrveranstaltung in zwei Teile gegliedert, nämlich in einen theoretischen Teil mit einer einstündigen Vorlesung in der Vorlesungszeit sowie einen einwöchigen praktischen Teil nach der Prüfungszeit.
Anschließend ist der Teilnehmer in der Lage, die wesentlichen Prozesse einer Lithium-Ionen-Zelle zu charakterisieren, diese in ein Gleichungssystem zu überführen, dieses Gleichungssystem mittels COMSOL Multiphysics zu lösen, die Lösung in Matlab darzustellen und abschließend die Simulation anhand einer Messung zu validieren.
Somit stellt diese Lehrveranstaltung den idealen Einstieg für eine tiefergehende Betrachtung von Lithium-Ionen-Systemen sowie deren Modellierung dar. Ferner werden Grundkenntnisse des FEM-Programms COMSOL Multiphysics – in der Forschung die Referenz für gekoppelte Modelle – sowie der Industriestandardsoftware Matlab vermittelt.

Ablauf

Das Praktikum ist auf 12 Teilnehmer (6 Gruppen mit je zwei Personen) begrenzt, die nach der Anmeldung in einem kurzen Auswahlprozess zugelassen werden. Nach einer Einführungsveranstaltung in der ersten Woche der Vorlesungszeit werden die genauen Abhaltungstermine bekannt gegeben. Behandelt werden die folgenden Themengebiete:
- Elektrochemische Potenziale in Zellen
- Massentransport in der flüssigen und festen Phase
- Elektrodenkinetik
- Einfluss der Elektrodenmorphologie (Stichwort: poröse Strukturen)
- Wärmetransport in der Zelle und Abhängigkeit zur Temperatur
- Das Newman-Modell: Die Referenz für ortsaufgelöste Modelle in der Wissenschaft
- Elektrochemisch-thermisch gekoppelte Modelle
- Grundlagen der Finiten-Elemente-Methode (FEM)
- Grundlagen in COMSOL Multiphysics

Begleitend zu den Vorlesungsunterlagen (Folien) wird ein Skript (Fließtext mit umfassenden Referenzen) angeboten. Leistungsfähige Rechner werden am Lehrstuhl zur Verfügung gestellt.
Im praktischen Teil werden dann die entsprechenden Grundlagen zusammengesetzt und schlussendlich eine Lithium-Ionen-Zelle detailliert und ortsaufgelöst in COMSOL Multiphysics simuliert und in Matlab dargestellt. Sowohl elektrochemische als auch thermische Effekte werden dann an zur Verfügung gestellten Messdaten mit der Simulation nachgewiesen.

Bei Fragen zu dieser Lehrveranstaltung bitte an Alexander Frank (alexander.af.frank@tum.de) wenden.
Idealerweise wurde zuvor die Vorlesung Batteriespeicher gehört. Kenntnisse der Elektrochemie oder der FEM sind hilfreich, aber nicht notwendig.
Der Student ist nach erfolgreichem Bestehen in der Lage
- die wesentlichen Prozesse in einem elektrochemischen System zu benennen und deren Größenordnung abzuschätzen
- die Lösung partieller Differentialgleichungen anzuwenden und die Grundzüge der Finiten-Elemente-Methode (FEM) umzusetzen
- makroskopische Modelle ganzer Zellen aufzubauen durch geschickte Kopplung von Submodellen geringerer Dimension
- die in der Forschung als Referenz geltende FEM-Software COMSOL Multiphysics zu bedienen
- die in der Industrie so gut wie überall verwendete Software Matlab zu Ansteuerung und Auswertung der COMSOL-Modelle zu benutzen und
- Simulationsergebnisse im Kontext von Messdaten zu analysieren und bewerten.
Deutsch
Gruppenarbeit
Frontalunttericht inkl. Skript und Folien während des Semester
Eigenständige Arbeit mit Unterstützung eines Betreuers während der praktischen Aufgaben
Kritische Betrachtung der eigenen Vorgehensweise
Teamarbeit
Darstellungsfähigkeit und Anregung zum Transferdenken
Details
Für die Anmeldung zur Teilnahme müssen Sie sich in TUMonline als Studierende*r identifizieren.
Anmerkung: Bewerbung über den Moodle-Kurs mit aktuellem Leistungsnachweis, einseitigem Lebenslauf und kurzem Motivationsschreiben
Zusatzinformationen
John Newman, Karen Thomas-Alyea: Electrochemical Systems, Wiley & Sons, 3rd Edition, 2004
Peter Atkins, Julio de Paula: Physical Chemistry, Oxford, 9th Edition, 2009
Vladimir Sergeevich Bagotsky: Fundamentals of Electrochemistry, Wiley & Sons, 2nd Edition, 2006
Praktischer Teil des Praktikums