Betriebsgrenzen Schnellladung
FVA 893 I | IGF-Nr. 20882-N
Bestimmung der Betriebsgrenzen bei Schnellladung
Im Projekt wurde ein Verfahren zur kostengünstigen und verlässlichen Bestimmung von Betriebsgrenzen bei der Schnellladung für kommerzielle Batteriezellen entwickelt und validiert. Zur Ermittlung des kritischen Bereiches, in dem Lithium-Plating auftritt, wurde der maximal zulässige Ladestrom bestimmt. Dafür wurde im Projekt eine kombinierte experimentelle und simulative Methodik angewendet.
Am IAM-ET des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) wurden verschiedene Methoden zur Bestimmung der Betriebsgrenzen evaluiert. Die Zellen wurden unter normalen und kritischen Bedingungen (durch Überschreiten der Herstellerspezifikation) getestet. Mit der Kombination aus Spannungsrelaxations- und Dehnungsmessung wurde Plating beim (Schnell-) Laden zuverlässig nachgewiesen. Zusätzlich wurde eine Zellcharakterisierung mit elektrochemischer Impedanzspektroskopie (EIS) und nichtlinearer Frequenzganganalyse (NFRA) durchgeführt. Anhand des zyklischen Alterungsverhaltens und Post-Mortem-Analysen der Zellen mittels mikroskopischer Untersuchungen wurde die Schädigung in der Zelle ermittelt.
Am INES der Hochschule Offenburg (HSO) wurde ein physikalisch-chemisches pseudo-3D (P3D)-Transportmodell der Projektzelle entwickelt. Das Modell umfasst elektrochemische Reaktionen zur SEI-Bildung auf Graphit, Lithium-Plating und SEI-Bildung auf geplatetem Lithium, wobei das Alterungsmodell die positive Rückkopplung des Platings auf das SEI-Wachstum berücksichtigt und somit die Zellalterung quantitativ beschreiben kann. Mit dem mathematischen Modell wurden die experimentellen Ergebnisse unterstützend interpretiert. Im weiteren Projektverlauf wurde eine vereinfachte Herangehensweise auf Basis sogenannter „Alterungsindikatoren“ entwickelt. Hierfür kommt ein konventionelles, auch kommerziell erhältliches, isothermes pseudo-2D (P2D)-Modell (ein sogenanntes „Newman“-Modell) ohne Alterungsmechanismen zum Einsatz. Es wurden verschiedene Alterungsindikatoren zur Bestimmung der Grenzen des Schnellladens abgeleitet.
Das IGF-Vorhaben IGF-Nr. 20882 N der Forschungsvereinigung Antriebstechnik e.V. (FVA) wurde über die AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der Industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert.
