Inhomogene Alterung in Li-Ionenbatterien - GradiBatt

In dem Projekt "GradiBatt – Inhomogene Alterung" wurde die Alterung von Lithium-Ionen-Zellen unter inhomogenen Temperaturverteilungen untersucht. Dazu wurden im Rahmen des Projekts Alterungsexperimente unter sehr definierten thermischen Randbedingungen mit Labor- und kommerziellen Batteriezellen durchgeführt. Um die beobachteten Phänomene besser interpretieren zu können, wurden die Alterungsuntersuchungen von Stromverteilungsmessungen zur Untersuchung der zellinternen Stromaufteilung und Zellöffnungen begleitet, die letztlich in Berechnungsmodelle einflossen.

Lithium-Ionen-Batterien weisen typischerweise ein Minimum ihrer Alterungsrate bei einer bestimmten Temperatur auf. Dieses Minimum im entsprechenden Arrheniusplot (siehe Abbildung 1) entspricht der längsten zyklischen Lebensdauer. Dieses Optimum ergibt sich aus einem Übergang zwischen zwei konkurrierenden Alterungsmechanismen, wobei SEI-Wachstum bei hohen und Lithium-Plating bei niedrigen Temperaturen dominieren. Im Projekt GradiBatt wurde experimentell beobachtet, dass sich dieses Minimum mit höheren C-Raten, d.h. bei Schnellladung, zu höheren Temperaturen verschiebt. Die Alterungsexperimente mit den zwei Batteriezelltypen konnten nachwiesen dass die Übergangstemperatur von der Elektrodendicke abhängt, d.h. bei Hochenergiezellen (typischerweise mit dickeren Elektrodenbeschichtungen) ändert sich der Mechanismus hin zu Lithium-Abscheidung bei höheren Temperaturen.

Die Alterungsversuche unter Temperaturgradienten konnten zeigen, dass die Alterung von Hochenergiezellen deutlich von der Größe der Gradienten abhängt. Insbesondere ab Gradienten von 10 K normal zum Elektrodenstack kann die Alterungsgeschwindigkeit deutlich zunehmen. Basierend auf Stromverteilungsexperimenten und Zellöffnungen konnte die schnellere Alterung auf die mit dem Temperaturgradienten zunehmenden Folgen von Lithium-Plating zurückgeführt werden.

Die Berücksichtigung der Verschiebung des dominanten Alterungsmechanismus in Abhängigkeit von der Temperaturverteilung, der Lade-C-Rate und des Zelltyps kann dazu beitragen, Batteriesysteme mit verlängerter Lebensdauer zu entwickeln.

Das IGF-Vorhaben IGF-Nr. 20884-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.