Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

GradiBatt – Inhomogene Alterung in Li-Ionenbatterien

Die Lebensdauer von Li-Ionen Batterien ist durch temperaturabhängige Alterungsmechanismen beschränkt. Da sich während Ladung und Entladung inhomogene Temperaturverteilungen in Li-Ionen-Zellen und Packs aufbauen, bilden sich inhomogene Alterungseffekte in den Zellen aus, die noch nicht ausreichend verstanden sind. Eine effektive Verhinderung von inhomogenen Alterungseffekten und die damit verbundene Erhöhung der Lebensdauer sind jedoch nur durch dieses Verständnis möglich.

In dem beantragten Projekt sollen deshalb die Zusammenhänge zwischen Temperatur- und Alterungsgradienten in Li-Ionen-Zellen und Li-Ionen Batteriepacks untersucht werden. Im Projekt werden sowohl kommerzielle Batteriezellen im prismatischen und Pouch-Format von den assoziierten Partnern zur Verfügung gestellt und untersucht, als auch selbst gebaute Zellen, welche mit internen Temperatursensoren ausgestattet sind, vermessen. Zur Anwendung soll dabei ein spezieller Prüfstand kommen, der durch eine Flüssigtemperierung der Prüflinge eine präzise und zuverlässige Temperierung sicherstellen kann. Mittels Post-Mortem-Analysen werden die Alterungsursachen auf Materialebene untersucht.

Die tolerierbare Stärke und Dauer von Temperaturgradienten werden systematisch in Zellen und Packs ermittelt und bestehende von KMU nutzbare Open-Source Modelle so ergänzt, dass diese die beobachteten Phänomene abbilden. Hierbei werden Temperaturgradienten in Zellen bewusst von außen erzeugt. Hieraus wird ein Versuchsdesign erarbeitet, das Industrieunternehmen (insbesondere auch KMUs) eine schnelle und zielgenaue Auslegung von neuen Speichersystemen ohne unnötige Überdimensionierungen erlaubt. Das Projekt führt damit über den Stand der Technik hinaus und trägt entscheidend zur Lebensdauererhöhung und Kostensenkung für elektrische Antriebe bei. Die Ergebnisse werden in Form von Berichten zusammengefasst, einzelne Ergebnisse werden veröffentlicht.

Ergebniszusammenfassung:

Im Projekt wurden sowohl kommerzielle wie auch selbstgebaute Batteriezellen systematisch unter definierten homogenen und inhomogenen thermischen Randbedingungen auf ihr Alterungsverhalten untersucht. Dabei wurde herausgefunden, dass die Temperaturen möglichst homogen gehalten werden sollten, um die Alterungsgeschwindigkeiten gering zu halten. Zellöffnungen im Labor haben bei den kommerziellen deutliche Indizien dafür geliefert, dass die Zellen hauptsächlich durch Alterungsmechanismen degradieren, die während der Ladung der Zellen auftreten.

Stromverteilungsmessungen haben die Sensitivität der Stromverteilung gegenüber der Temperatur verdeutlicht, lieferten einen Einblick in die inneren Stromverteilungen in den Zellen und ermöglichen die Validierung eines entwickelten Modells zur Berechnung der zellinternen Stromverteilung zur Abschätzung von lokalen Alterungseffekten.

Das vorgeschlagene Modell zur Berechnung der Stromverteilung in Batteriezellen zusammen mit den identifizierten optimalen Betriebsbedingungen zur Minimierung der Batteriealterung ermöglichen es, Batteriesysteme für alle mobilen und stationären Anwendungen, die einen batterieelektrischen Energiespeicher benötigen, zu entwickeln, die leistungsfähiger sind und länger leben, indem Sicherheitsaufschläge bei der Auslegung der Temperierungssysteme reduziert werden können, die sonst durch Unkenntnis hoch gewählt werden müssen. Dadurch können Kosten und Material gespart und gleichzeitig Umweltbelastungen reduziert werden.