Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Bestimmung der Betriebsgrenzen bei Schnellladung

Das Schnellladen von Lithium-Ionen Batterien ist für die Elektromobilität aber auch andere Einsatzbereiche von großer Bedeutung. Zur Entwicklung von Schnellladeverfahren müssen die Betriebsgrenzen der Zellen im Hinblick auf den maximalen Ladestrom bekannt sein. Eine Überschreitung dieser hat eine übermäßige Alterung der Zelle, meist durch Lithium-Plating auf der Anode verursacht, zur Folge.

Ziel dieses Projektes ist es experimentelle und modelbasierte Verfahren zur Bestimmung von Betriebsgrenzen bei der Schnellladung zu entwickeln. Das Projekt fokussiert sich die Entwicklung und Adaption von Messverfahren und Modellen zur Detektion und Prädiktion von Lithium-Plating.

Zur experimentellen Plating-Detektion werden am KIT verschiedene Verfahren wie die Analyse des Zellspannungsverlaufs (Zellspannungsrelaxation), die elektrochemische Impedanz-spektroskopie und die Messung der mechanischen Ausdehnung der Zelle entwickelt und erprobt.

An der HSO steht ein detailliertes, multiskaliges (P3D), physikalisch-chemisches Modell zur Alterungsvorhersage in Form von Mehrschritt-Reaktionsmechanismen im Focus, welches im Projektverlauf auf ein vereinfachtes Alterungsindikatoren-Modell übertragen wird.

Die Anwendung und Validierung dieser Messverfahren und Modelle erfolgt im Projekt an zwei verschiedenen Zelltypen (Pouchzelle, großformatige prismatische Zelle). Nach Bestimmung der Betriebsgrenzen mit dem entwickelten Verfahren erfolgt eine Validierung durch Messung der Zyklenstabilität beim Schnellladen innerhalb und außerhalb dieser Grenzen.

Mit diesen Ansätzen soll eine deutlich vereinfachte Bestimmung der Betriebsgrenzen bei der Schnellladung realisiert werden, die umfangreiche, kostenintensive Alterungsexperimente überflüssig macht. Damit wird insbesondere für KMUs, die Batterien in vergleichsweise kleinen Stückzahlen fertigen bzw. in ihren Produkten einsetzen, eine zuverlässige Bestimmung der Betriebsgrenzen ermöglicht.

Ergebniszusammenfassung:

Entsprechend den Zielen des Forschungsvorhabens haben die zwei beteiligten Forschungseinrichtungen (Institut für Angewandte Materialien - Elektrochemische Technologien, KIT und Institut für nachhaltige Energiesysteme, HSO) eine kombinierte experimentelle und simulative Methodik entwickelt. Es wurden Verfahren zur kostengünstigen und verlässlichen Bestimmung von Betriebsgrenzen bei der Schnellladung für kommerzielle Batteriezellen entwickelt und validiert.

Mit der Kombination aus Spannungsrelaxation- und Dehnungsmessung wurde Plating beim (Schnell-) Laden zuverlässig nachgewiesen. Außerdem wurden MSCC-Ladeprotokolle unter Anwendung der Zellausdehnungsmessung als Methode entwickelt. Dies ermöglicht das Schnellladen im niedrigen SoC-Bereich, wodurch die Gesamtladezeit und das Platingrisiko reduziert werden. Die Umsetzung der im Projekt angewandten experimentellen Methoden lässt sich leicht auf die Industrie übertragen, da die verwendete Messtechnik und Geräte (Kraftsensor, Batteriezyklierer und Potentiostat) kommerziell verfügbar sind.

Der an der HSO entwickelte Modellierungsrahmen mit komplexer Alterungschemie hat das Potenzial, die Bestimmung der Betriebsgrenzen für Schnellladung zu beschleunigen und kosten- und zeitintensive Alterungsexperimente zu reduzieren. Es ist in der Lage, die Zellalterung über einen weiten Temperaturbereich vorherzusagen und kritische Betriebsbedingungen durch Visualisierung von Alterungsfarbkarten als Funktion von Temperatur und C-Rate zu identifizieren. Außerdem wurden Alterungsindikatoren entwickelt, die die qualitative Vorhersage der Alterung durch Nachbearbeitung von Simulationen mit Standard „Newman“-Modellen erlauben. Dies ermöglicht es, die im Projekt entwickelten Methoden auf die Industrie mit kommerziell verfügbarer Software oder Open-Source-Software zu übertragen.