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

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.