Westfälische Wilhelms-Universität Münster

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Universität Münster

Kommunikation und Öffentlichkeitsarbeit

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Bundesministerium für Bildung und Forschung

Referat 523: Werkstoffinnovationen, Batterie; Hereon, KIT

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Referat T15: Batterieforschung; KIT

Bundesministerium für­ Forschung, Technologie und Raumfahrt Referat T15: Batterieforschung; KIT

Bundesministerium für­ Forschung, Technologie und Raumfahrt

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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.

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

Herr Dr. Volker Grajewski

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Konzernforschung: Antriebe Batterie

Volkswagen AG

Global Group Communications

Volkswagen AG Konzernforschung: Antriebe Batterie

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.

Im Rahmen dieses Arbeitspaketes wird Volkswagen hauptsächlich die Auslegung der Verspannungsprüfstände sowie die Festlegung der relevanten elektrochemischen und mechanischen Modellparameter bearbeiten.
Es ist für das Gesamtprojekt von zentraler Bedeutung, dass das erarbeitete Modell eine sehr gute Übereinstimmung mit den Messdaten zeigt. Hierzu müssen die relevanten Parameter definiert werden und daraus abgeleitet müssen die Messmethoden aufgebaut werden. Insbesondere die mechanischen Einflüsse in und außerhalb der Zelle sind zu verstehen und zu beschreiben. Daraus abgeleitet können die Versuchsbedingungen für die Verspannungsprüfstände bestimmt werden.

Es wird eine Mitarbeit bei der Definition des Zelldesigns geben. Hier werden Materialempfehlungen aus automotiver Sicht gegeben

Bei der Festlegung der Testmatrix der Alterungstests können ebenfalls die automobilspezifischen Anforderungen in Bezug auf den Einsatz von Lithium-Ionen-Batteriesystemen in Pkw eingebracht werden. Hierzu werden typische Nutzungsszenarien der Arbeitsgruppe zur Verfügung gestellt. Dies umfasst unter anderem elektrische, mechanische sowie thermische Belastungsprofile. Auf dieser Basis können Grenzbelastungen entwickelt werden, die wiederum den Rahmen für beschleunigte Alterungstests bilden.

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.
Die Volkswagen AG ist der größte Automobilhersteller Europas mit einem sinkenden Anteil an Fahrzeuge mit einem konventionellen Verbrennungsmotor. Partiell findet die Hybridisierung mit einer Batterie statt, um den Kraftstoffverbrauch zu senken. Dieser Trend wird stark zunehmen und auch die Nachfrage nach rein elektrisch betriebenen Fahrzeugen (EV) wird aufgrund der Verknappung der weltweiten Ölressourcen steigen. Als Automobilhersteller hat die Volkswagen AG zudem die Möglichkeit, Projektergebnisse unmittelbar in Versuchsfahrzeuge zur Erprobung zu überführen. Gleichzeitig bietet der Volkswagen Konzern die Möglichkeit, dass weitere Marken von den Entwicklungen profitieren, somit Synergien geschaffen werden und der Mehrwert dieses Projektes gesteigert wird.

Abteilung Batteriesimulation

Volkswagen AG Konzernforschung: Antriebe Batterie Abteilung Batteriesimulation

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Arbeitseinheit NMT: Neue Materialien und Chemie

Projektträger Jülich Arbeitseinheit NMT: Neue Materialien und Chemie

Projektträger Jülich

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[verbundprojekt]

[Verbundprojekt]

Daimler AG, Mercedes-Benz AG

Mercedes-Benz AG

Daimler AG, Mercedes-Benz AG, Werk Singelfingen, Abteilung RD/EBT HPC 059-G012-BB

Daimler AG, Mercedes-Benz AG, Mercedes-Benz Werk Singelfingen

Abteilung RD/EBT: HPC 059-G012-BB

Mercedes-Benz AG Werk Sindelfingen Abteilung RD/EBT: HPC 059-G012-BB

Werk Sindelfingen

Prof. Dr.

Im Projekt KlemA wird die Alterung von traditionellen Lithium-Ionen-Batterien mit Flüssigelektrolyt untersucht und ihre Auswirkung auf die Verwendbarkeit in Second-Life-Applikationen klassifiziert. Das elektrochemisch-thermischen Verhalten einer Lithium-Ionen-Zelle wird über das mechanische Ausdehnungs- und Kontraktionsverhalten erweitert, charakterisiert und eingehend untersucht. Dies wird in der heutigen industriellen Anwendung meist vernachlässigt.
Während des Betriebs und mit zunehmender Alterung einer Lithium-Ionen-Zelle bewirkt die mikroskopische Volumenarbeit im Aktivmaterial der Elektroden und auf der Elektrodenoberfläche eine nicht zu vernachlässigende Ausdehnung des gesamten Zellverbunds. Für einen sicheren, effizienten und ressourcenschonenden Einsatz von Lithium-Ionen-Batterien in der industriellen Anwendung muss dieses Verhalten beachtet werden. Die Auswirkungen des mechanischen Verhaltens im Betrieb einer Lithium-Ionen-Zelle und ihr direkter Einfluss auf das Alterungsverhalten stehen im Fokus des Projekts KlemA, um eine präzise Bestimmung der Verwendbarkeit in Second-Life-Anwendungen zu erreichen.

In diesem Vorhaben wird die TUM die Entwicklung eines multi-physikalischen Modells zur Beschreibung des elektrochemisch-thermischen und mechanischen Verhaltens von Lithium-Ionen-Zellen sowie den Aufbau zweier Verspannungsprüfstände unterschiedlicher Art forcieren. Simulationen von Alterungsmechanismen werden mit Messdaten aus den speziell konzipierten Prüfständen validiert und daraus eine Prädiktion des Alterungsverhaltens abgeleitet. Die Untersuchungen umfassen das lineare Alterungsverhalten, zu erkennen an mäßigem, kontinuierlich fortschreitendem Kapazitätsverlust und dem Innenwiderstandsanstieg einer Lithium-Ionen-Zelle, sowie die nicht-lineare Alterung in Form von rapidem Kapazitätsverlust und starkem Innenwiderstandsanstieg, die vermehrt gegen Ende der Lebenszeit beobachtet wird.

Der so prädizierte Alterungszustand einer Batterie kann auf eine Second-Life- bzw. Second-Use-Nutzung angewendet werden, um die Kosteneffizienz, d. h. „Total Cost of Ownership“, von Lithium-Ionen-Batterien zu verbessern und eine wettbewerbsfähige Position auf dem Markt für Energiespeicher einzunehmen.

Die Modellbildung und Simulation ist sowohl auf Elektrodenebene als auch auf Zellebene ein Arbeitsschwerpunkt im Teilprojekt der TUM. Neben den elektrochemischen, elektrischen und thermischen Aspekten wird das mechanische Verhalten betrachtet. Die Modellentwicklung wird durch Messen der mechanischen Ausdehnung auf Elektroden- und Zellebene, der resultierenden Kraftentwicklung auf Zellebene sowie der Oberflächentemperaturverteilung der Zellen unter verschiedenen Belastungsszenarien begleitet. Die Temperaturentwicklung auf der Zelloberfläche während der Zyklisierung wird in einem Infrarot-Thermografie-Prüfstand aufgezeichnet und bewertet.
Auf Elektrodenebene werden die elektrochemischen Eigenschaften der verwendeten Elektrodenmaterialien und Elektrolyte mit numerischer Berechnung der Konzentrations- und Potentialverteilung in den flüssigen und festen Bestandteilen der elektrochemischen Zelle untersucht und anhand von Messdaten validiert. Die Elektrode wird durch ein elektrochemisches und mechanisches Modell abgebildet. Das mechanische Spannungs-Dehnungsverhalten auf Grundlage der Volumenänderung wird innerhalb der Partikel abgebildet. Die lithiierungsabhängige Veränderung der kristallografischen Gitterstruktur in den verwendeten Aktivmaterialien muss berücksichtigt werden. Die Ausdehnung einzelner Elektroden während der Zyklisierung wird über Dilatometermessungen ermittelt.

Die relevanten elektrochemischen und mechanischen Alterungsmechanismen werden in das Modell implementiert, nachdem sie identifiziert wurden. Die Modellentwicklung wird durch die Alterungsstudien gestützt. Die Alterungsstudien werden in zwei speziell angefertigten Prüfständen zur Vermessung und Charakterisierung des mechanischen Verhaltens durchgeführt. Ziel ist, eine definierte mechanische und thermische Anbindung der Zellen zu gewährleisten. Dafür werden die Auswirkungen von konstanter Kraft und konstanter Einspannung auf die Zelloberfläche mit der jeweils resultierenden variablen und festgesetzten Zellausdehnung auf das Alterungsverhalten einer Lithium-Ionen-Zelle untersucht.

Die Erkenntnisse aus den experimentellen Alterungsstudien, der Modellbildung und der Simulation werden schließlich für die Bewertung des nicht-linearen Alterungsverhaltens einer Lithium-Ionen-Zelle und der sich ergebenden Anwendbarkeit für Second-Life-Betriebsstrategien herangezogen. Ein direkter Einfluss von mechanischen Randbedingungen auf die Anwendbarkeit in Second-Life-Szenarien kann geschlussfolgert werden. Mögliche Second-Life-Anwendungsszenarien von automobilen Lithium-Ionen-Energiespeichern sind beispielsweise die Verwendung als stationärer Energiespeicher in verschiedenen Größen wie in einem einzigen Haushalt oder als großformatiges Pufferspeicher-Konzept in Haushaltzusammenschlüssen.
Durch anwendungsnahe Forschung und die Etablierung der Modellbildung auf dem Gebiet der Lithium-Ionen-Batterietechnologie werden sich in Zukunft weitere Forschungsprojekte und -aufträge ergeben. Bedeutsam wird dies bei einem erwarteten Anstieg von Siliciumkompositen in Lithium-Ionen-Batterien sowie aufgrund der Tendenz zu großformatigeren Zellen im Automobilbereich. Die mechanische Ausdehnung kann nicht mehr vernachlässigt werden und muss zur Entwicklung spezifizierter, anwendungsorientierter Zelldesigns – aus Material- und Betriebsstrategie-Perspektive – berücksichtigt werden. Dies verschafft dem Standort Deutschland im Bereich der Zelltechnologien einen deutlichen Vorteil. Insbesondere durch „Computer Aided Engineering“ im Bereich der Batterietechnologie kann ein großer Fortschritt eingeleitet und vollzogen werden. Hierzu wird der Lehrstuhl für Elektrische Energiespeichertechnik in den kommenden Jahren seinen Beitrag leisten.

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Technische Universität München

Presse und Medien

Experimentelle Untersuchung und Simulation des mechanischen Verhaltens von Lithium-Ionen-Batterien

Lehrstuhl für Elektrische Energiespeichertechnik

Technische Universität München Lehrstuhl für Elektrische Energiespeichertechnik

Herr Prof. Dr. Andreas Jossen

Westfälische Wilhelms-Universität Münster, MEET - Münster Electrochemical Energy Technology

Duration	01/01/2019 - 30/06/2022
Executing unit	Uni Münster • MEET
City	Münster
Amount of funding	800.513,00 €
Total budget	800.513,00 €
Sponsor	BMFTR

Project

KlemA

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

Project management as

MEET - Münster Electrochemical Energy Technology

Universität Münster

Funding

This project is part of the joint project

KlemA

Other sub-projects of the joint project

Sub-project 1

Duration:

Funding code:

Abteilung Batteriesimulation

Sub-project 2

Duration:

Funding code:

Abteilung RD/EBT: HPC 059-G012-BB

Sub-project 3

Duration:

Funding code:

Lehrstuhl für Elektrische Energiespeichertechnik

This project is part of the funding initiative

Sub-project lead

MEET - Münster Electrochemical Energy Technology

Sub-project manager

Press contact

Joint-project management

Konzernforschung: Antriebe Batterie

Joint-project coordinator

Press contact

Links

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