Klassifizierung von elektromechanischer Alterung auf den Betriebszustand von Lithium-Ionen-Batterien

Ein wesentliches Kriterium für das Gelingen der Verkehrswende ist die Kostenreduktion von elektromobilen Energiespeichern. Ein Ansatz, um diese Kosten zu reduzieren, liegt im „Second-use“ der Speicher, welcher die „Total Cost of Ownership“ verringern kann. Hierzu ist es essenziell, den Alterungszustand von Lithium-Ionen-Batterien (LIB) klassifizieren zu können, sodass eine sichere und ausreichende Funktion des Energiespeichers im „Second-use“ gewährleistet werden kann.

LIB zeigen zuerst einen geringfügigen Abfall der Kapazität bis zu einem gewissen Punkt, an dem die Kapazität meist rapide abfällt. Bis heute ist nicht verstanden, welche Prozesse zu diesem Abknicken führen und wie sich das Abknicken prognostizieren lässt.

In dem hier beschriebenen Projekt soll die Klassifizierung des Alterungszustandes ermöglicht werden. Dabei wird großer Wert auf die Übertragbarkeit der Ergebnisse gelegt, sodass die erarbeiteten Methoden und Modelle nicht nur eine spezifische LIB, sondern möglichst viele LIB abbildet.

Ein bisher vernachlässigter Parameter mit Einfluss auf die LIB ist die Mechanik. Durch Druckaufbau innerhalb der Zelle aufgrund von alterungsbedingter Ausdehnung und der gleichzeitigen äußeren Verspannung in einem Modul bzw. Pack ändert sich das Verhalten einer LIB. Im Projekt soll daher weitergehend erarbeitet werden, wie sich der Druckaufbau auf die weitere Sicherheit und die Lebensdauer der Batterie auswirkt. Dadurch können für den First-user (OEM) Bedingungen für den Modul- und Packbau abgeleitet werden, die eine nachhaltige Zweitnutzung erlauben.

In diesem Projekt sollen folgende wissenschaftliche und technische Arbeitsziele erreicht werden:

1. Bestimmung der Interdependenzen elektrochemischer Alterungsmechanismen

2. Bestimmung des Einflusses der mechanischen Degradation auf die Zellalterung

3. Evaluierung des Einflusses der Alterung auf die Sicherheit

4. Prognose der Alterung durch ganzheitliche Modellierung der Alterungsmechanismen über das Abknicken des Kapazitätsverlaufes hinaus.

Bisher wenig Beachtung fand die Untersuchung der mechanischen Degradation mit Fokus auf die Auswirkungen für die Lebensdauer von Zellen. In der Literatur finden sich allerdings Hinweise darauf, dass der Einfluss nicht zu unterschätzen ist. So kann beispielsweise auftretendes Lithium-Plating auf die Druckerhöhung innerhalb des Zellgehäuses durch Zyklisierung zurückzuführen sein. Auch positive Effekte eines externen Drucks auf die Zelle werden in der Literatur beschrieben. Im Projekt soll ein systematischer Vergleich der Auswirkungen des externen Druckes auf die Alterungsmechanismen detailliert durchgeführt werden.

Das Wissen zur aufgetretenen Alterung ist notwendig, um Batteriemodule in „Second-use“-Anwendungen sicher und mit den nötigen Garantien betreiben zu können. Hier sollen erstmals Interdependenzen der Alterungsmechanismen bestimmt werden. Dazu wird ein neuer innovativer Ansatz der „Alterungsmechanismus selektive Zyklisierung“ verwendet.

Die Ergebnisse der Alterungsuntersuchungen sollen das erste Mal ein übertragbares ganzheitliches Modell ermöglichen, welches auf physikalischen (anstelle von empirischen) Grundlagen basiert und die Alterung vollständig beschreiben kann.

Die im Rahmen des Projektes zu erreichenden Ziele werden zu Produktverbesserungen der Speichertechnologie führen. Dies gilt insbesondere für den Bereich der Lebensdauer und Lebensdauervorhersage. Durch das Verständnis der Abhängigkeit der Lebensdauer von der Mechanik kann die Konstruktion und die Betriebsstrategie einer Lithium-Ionen Batterie für die automotive wie stationäre Anwendung optimiert werden. Schnellere und genauere Modelle zur Lebensdauervorhersage können in das Batteriemanagement eingebaut werden, wodurch Reichweite, Lebensdauer und Leistung gesteigert werden können. Die zu entwickelnden Modelle werden einen Beitrag zur Kostensenkung und Reichweitensteigerung und somit zur Erhöhung der Akzeptanz und Marktfähigkeit der Elektromobilität leisten.