Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Raffzyklen für die beschleunigte Alterung von Lithium-Ionen-Batterien zur Verkürzung der Freigabezeiten von neuen Baumustern

Bei diesem Forschungsvorhaben soll mittels geraffter Alterungstests das Alterungsverhalten von Lithium-Ionen Batterien (LIB) mit den aktuellen Standardprüfverfahren korreliert werden. Das Ziel ist es, nach einer möglichst kurzen Testzeit (≤ 4 Monate) zuverlässige Aussagen über das Alterungsverhalten und die Lebensdauer treffen zu können und somit die aktuelle Prüfdauer von ca. 12-24 Monaten zu verkürzen. Die zentrale Frage dieses Projektes ist daher, wie Prüfzyklen und erweiterte Untersuchungen so gestaltet werden können, das mit deutlich kürzeren Tests besser auf die realen Anwendungen übertragbare Ergebnisse erzielt werden können. Dabei soll das bisher bereits erlangte Verständnis über die Art der Alterungsprozesse genutzt werden, um geeignete Prüfzyklen („Raffzyklen“) zu entwickeln. Es sollen sowohl zyklische als auch kalendarische Batterietests definiert und mit Hilfe von elektrischer, chemischer und physikalischer Charakterisierung der LIB auf ihre Tauglichkeit als Raffzyklus untersucht werden. Neben der Verkürzung von Prüfzeit werden der Prüfmitteleinsatz und die Zeit bis zur Freigabe neuer Baumuster reduziert. Diese Ersparnis an Ressourcen ist für alle Produktionsschritte nützlich: sowohl für die Zellherstellung, die Systemintegration als auch für den Endanwender. Gerade KMU`s profitieren dadurch von diesen Ergebnissen.

Ergebniszusammenfassung:

In diesem Projekt wurde untersucht, in wie weit sich standardisierte Alterungstests an Lithium-Ionen-Batterien beschleunigen lassen. Es wurden hierzu ausgedehnte elektrochemische Tests durchgeführt, wie zum Beispiel Spannungsdifferenzanalysen. Als erstes wurde die für den automotive Bereich sehr relevante kalendarische Alterung untersucht.

Wie bereits bekannt, ist die Temperatur ein großer Einflussfaktor bei der Beschleunigung von Alterung. Hier wurde nun ein Ansatz getestet, welcher die Ströme auswertet, welche für die Aufrechterhaltung einer Spannung bzw. eines Ladezustandes benötigt werden (der sogenannte Floatstrom). Es wurde ein simples Messgerät konstruiert und genutzt, welches diese Ströme misst (Bauteilkosten ~100 €). Diese Ströme sind im eingeschwungenen Zustand der Zelle nach aktuellem Kenntnisstand nur von der Temperatur abhängig und können somit zu mehreren Zwecken genutzt werden:

1. Evaluierung der maximalen Temperatur für einen Lebensdauertest. Es stellt sich kein stabiler Floatstrom ein, sobald zusätzliche Alterungseffekte einsetzen wie etwa vermehrte Gasbildung

2. Parametrierung von kalendarischen Lebensdauermodellen. Es konnte erfolgreich die Lebensdauer für 2 Jahre auf Basis eines ca. 5-wöchigen Test vorhergesagt werden. Der Übertrag auf andere Zellchemien gestaltet sich allerdings komplex und die Vorbereitung der Zelle für die Messung ist aufwendig.

Weiterhin wurden Parameter während der zyklischen Alterung variiert. Es wurde nochmals bestätigt, dass eine Erhöhung der Stromstärke nicht für schnelleres Testen genutzt werden sollte. Als valide Stellschraube hat sich eine Erhöhung der Ladeschlussspannung herausgestellt. In unseren Tests wurde dieser Wert um 100mV auf 4,2V erhöht, was die Testdauer um ca. 1000 Vollzyklen reduziert hat. Es konnten keine zusätzlichen Alterungseffekte festgestellt werden.

Weiterhin wurde untersucht, welchen Einfluss die Häufigkeit der Kapazitätsmessungen („Checkup“) während der Alterungstests auf das Messergebnis hat.