Online Sicherheitsbewertung von Lithium-Ionen-Systemen im Betrieb

Im Projekt Online Sicherheitsbewertung von Lithium-Ionen-Systemen im Betrieb (OSLiB) sollen von der Zelle bis hin zum System sicherheitskritische Zustände für Lithium-Ionen-Batterien untersucht werden. Die Untersuchungen starten ausgehend von eigens gefertigten Zellen mit abweichenden Produktionsparametern, wie z.B. einer unvollständigen Elektrolytbenetzung oder fehlerhafter Elektrodenpositionierung, um alterungsbedingte Effekte in der Zelle nachzubilden, die sicherheitsrelevante Auswirkungen, wie z.B. Lithium-Plating, nach sich ziehen. Neben den eigens gefertigten Zellen sollen auch kommerziell erhältliche Zellen, die als Referenz dienen, untersucht werden.

In einem ersten Schritt wird das Zellverhalten in verschiedenen Betriebsphasen (Laden, Pausen, Zyklisierung) und Bedingungen (Temperatur, Druck) untersucht. Dabei werden zum einen Diagnoseverfahren angewandt, die für den online Einsatz auf eine zusätzliche Anregung und Hardware angewiesen sind. Zum anderen sollen online Diagnoseverfahren untersucht werden, die lediglich auf „klassischen“ Batteriemanagementsystem-Daten (Spannung, Strom, Temperatur) und daraus abgeleiteten Größen beruhen.

In einem zweiten Schritt sollen die Auswirkungen der sicherheitskritischen Zustände von der Zellebene auf Systemebene skaliert und betrachtet werden. Hier soll vor allem die Lokalisierung von sicherheitskritischen Zellen in einem parallelen oder seriellen Verbund durch das Aufdecken einer Inhomogenität (Temperatur, Stromaufteilung, etc.) unter den Zellen untersucht werden.

In einem dritten Schritt gilt es, die diagnostizierten Zustände zu validieren. Dazu werden (Post-Mortem) Analysen herangezogen, die die Auswirkungen in den Zellen untersuchen. Dabei soll unter anderem die Menge und Art des Lithium-Plating bestimmt werden.

Final sollen die nötigen Anforderungen an das Batteriesystem und das BMS erarbeitet werden, um die Diagnoseverfahren im Betrieb anwenden zu können.

Mit den onlinefähigen Detektionsmethoden für Lithium-Plating, Temperaturanomalien und Feinschlüsse können die gängigsten sicherheitskritischen Ereignisse im Betrieb erkannt werden. Somit können neue Zellkonzepte zeitnah in Systemprototypen im Betrieb auf ihre Sicherheitseigenschaften untersucht und ohne aufwändige Post-Mortem Untersuchungen bewertet werden. Dies ermöglicht kurzfristige Rückmeldungen an die Zellentwicklung und eine schnelle Weiterentwicklung von neuartigen Zelldesigns. Zudem können Sicherheitsmargen aufgrund der verbesserten online Diagnostik reduziert werden.

Durch den Einsatz von standardmäßig erhältlichen Daten für die Diagnose werden wenig neue Systemkomponenten benötigt. Durch die Onlinefähigkeit können sicherheitskritische Zustände frühzeitig erkannt werden, wodurch sich vorzeitige Systemausfälle und folglich vermehrte Entsorgungskosten vermeiden lassen.

Quelle: https://www.battnutzung-cluster.de/de/projekte/oslib/ (jüngster Zugriff: 20.06.2023)