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.

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.