Mechanische Alterungsdiagnostik mit Dehnungsmesssteifen, Dilatation, Druck, Akustik und Modalanalyse zur Lebensdauervorhersage

Das Gesamtziel des Projektvorhabens MAD³AM4Life ist es mittels unterschiedlicher non-invasiver mechanischer Messverfahren unterschiedliche Zellzustände wie State-of-Charge (SoC) und Alterungsprozesse in Lithium-Ionen–Zellen (LIBs), in-operando zu überwachen.

Bei Rundzellen wird die Überwachung der Zellausdehnung (US, RWTH1) betrachtet. Für Pouch-Zellen werden experimentelle Modal- und Ultraschalldiagnostik (TUM, ISC, RWTH2) zur Überwachung von mechanischen Materialparametern untersucht. Weiterhin plant die US ein Messverfahren für den Innendruck der Zelle zu entwickeln und die Messungen mit Ergebnissen der Ausdehnung zu vergleichen. Durch die Kombination mit weiteren mechanischen Sensoren, wie z.B. für 2D/3D-Dilatation und über Modalanalysen, wie sie heute schon am Fraunhofer ISIT, ISC und an der TUM eingesetzt werden, soll nun ein umfassendes Verständnis für die mechanischen Änderungen in der Zelle durch unterschiedliche Alterungsprozesse geschaffen werden, die es heute noch nicht gibt. Für die Schaffung einer umfangreichen Datenbasis werden vom ISIT Pouch-Zellen unterschiedlicher Zellchemien erstellt und kommerzielle Rundzellen angeschafft. An beiden Zell-Geometrien werden jeweils angepasste Alterungstests durchgeführt.

Detaillierte Modelle der betrachteten Zell-Geometrien werden entwickelt, für ein verbessertes Verständnis für die Abhängigkeit der Ultraschall-Signalausbreitung /-veränderung von Alterungsphänomenen (TUM) und für die ortsaufgelöste, physikalische Beschreibung von Ausdehnungs-, Druck- und Temperaturänderung (US). Diese Modelle sollen weiterhin Untersuchungen der Übertragbarkeit der Messverfahren auf die jeweils andere Zell-Geometrie unterstützen.

Aus den mechanischen Messmethoden sollen neuartige Diagnostikverfahren für Batterie Management Systeme (BMS) entstehen (RWTH2, ISC, TUM), die die heutige Zustandsbestimmung bei sekundären Batteriespeichern wie LIBs mittels elektrischer Größen und Temperatur, um mechanisch-elektrochemische Wechselwirkungen erweitern. Insbesondere eine höhere Genauigkeit bei der Bestimmung des State-of-Health (SoH) soll erreicht und eine datenbasierte Optimierung der Lebensdauerprognose ermöglicht werden.

Ein empirisches Alterungsmodell soll dazu genutzt werden, die Lebensdauer der Batteriezelle basierend auf Ausdehnungsdaten vorherzusagen (RWTH1). Zusätzlich soll die Langzeitstabilität der Online-Messmethoden untersucht werden.

Die Erkenntnisse aus MAD³AM4life sollen die beschleunigte non-invasiven elektrochemischen Alterungsuntersuchungen aus den Schwerpunkten B1 und B2 komplementieren und helfen mechanische Ursachen zu detektieren, die sonst durch fehlende Struktur-Eigenschaftsbeziehungen nicht zugänglich sind. Diese neuen mechanischen Messmethoden sollen auch dazu dienen, eine umfangreichere Bewertung von neuen Zelltechnologien zu erstellen, die im Rahmen der Forschungsfabrik entstehen, um so zielgerichtet Neuentwicklungen im Bereich der Materialwissenschaften und Zellproduktion aktiv zu unterstützen und damit einen Wettbewerbsvorteil zu anderen Zellherstellern zu schaffen.

Darüber hinaus soll die mechanisch-elektrochemische Diagnostik die Identifikation von alternativen End-of-Life Kriterien (EoL) (abgesehen von 70 – 80 % SoH) bzw. Kriterien, die den Übergang zur nicht-linearen Alterung signalisieren, ermöglichen. Durch eine alternative Definition soll es möglich werden Batterien über die bisherige EoL Grenze hinaus unter gleichbleibenden Lastanforderungen zu betreiben, solange der Kapazitätsverlust weiterhin linear verläuft. Durch die Ableitung eines alternativen EoL Kriteriums lassen sich 2nd Life Anwendungen verlässlicher realisieren und der CO2 Abdruck kann durch die Lebensdauerverlängerung signifikant reduziert und Ressourcen somit geschont werden.

Durch Adaption neuer Signalverarbeitungsmethoden werden diese Daten im BMS implementiert und unterstützen eine Predictive Control für einen optimierten Batteriebetrieb bei gleichbleibenden Belastungs-profilen. Das würde die Nutzbarkeit der Batterien weiter verlängern, um das Ziel einer Green Battery zu erreichen.

Quelle: https://www.battnutzung-cluster.de/de/projekte/madam4life/ (jüngster Zugriff: 22.06.2023)