Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Sicherheit und Betriebsstrategien Lithium-basierter Batterien - Dendriten- und SEI-Wachstum auf metallischem Lithium

Im beantragten Forschungsprojekt wird die Entwicklung einer Simulationssoftware für elektrochemische Energiespeicher mit metallischen (met.) Lithium-(Li-) Elektroden angestrebt. Gegenüber derzeitigen Energiespeichern haben met. Li-Elektroden höhere theoretische Energie- und Leistungsdichten und bieten in der Elektromobilität aufgrund der größeren Reichweite des Fahrzeugs ein hohes Marktpotential für Zulieferer von Elektrofahrzeug- und Batterieherstellern.

Wesentliche Merkmale met. Li-Elektroden sind eine Schutzschicht zwischen Elektrode und Elektrolyt (Solid Electrolyte Interphase, SEI) und das Wachstum von nadelförmigem Li beim Zyklisieren (Dendriten). Das Wachstum der SEI führt zu erhöhtem Innenwiderstand bis hin zum Versagen. Die Dendriten stellen bei Durchdringen des Separators bis zum Kurzschluss mit der Gegenelektrode ein Sicherheitsrisiko dar. Um met. Li-Elektroden dennoch in Zukunft wirtschaftlich nutzen zu können, sollen beide Effekte experimentell untersucht und modelliert werden. Voraussetzung für die Entwicklung des mathematischen Modells der neuen Energiespeicher sind Experimente, welche die Eigenschaften der met. Li-Elektrode und ihr Verhalten innerhalb des Energiespeichers charakterisieren.

Ziel des Projektes ist es, die aus den experimentellen Verfahren gewonnenen, empirischen Erkenntnisse und Parameter zur Modellierung auf physikalisch-elektrochemischer Basis zu verwenden. Die implementierte Software soll zukünftig in Hardware-in-the-Loop Testständen zur Verifizierung von Algorithmen in Batteriemanagementsystemen (BMS) Anwendung finden und teure, zeitaufwendige und unzureichend reproduzierbare Tests mit realen Batterien ersetzen. BMS werden hauptsächlich von kleinen und mittelständischen Unternehmen hergestellt und dienen zur Überwachung und Steuerung von Batteriepacks. Mit verändertem Batteriezustand (z. B. Erwärmung, räumliche Ausdehnung, erhöhte Zellüberspannung oder Impedanzänderungen) soll auf SEI und Dendritenwachstum geschlossen werden.

Ergebniszusammenfassung:

Im Rahmen des Projekts Betriebsstrategien metallischer Li-Elektroden wurde die Entwicklung einer Simulationssoftware für elektrochemische Energiespeicher mit metallischen (met.) Lithium- (Li-) Elektroden angestrebt. Wesentliche Merkmale der met. Li-Elektroden sind dabei das Wachstum einer Schutzschicht zwischen Elektrode und Elektrolyt (Solid Electrolyte Interphase, SEI) sowie das Wachstum von nadelförmigem Li beim Zyklisieren (Dendriten). Voraussetzung für die Entwicklung des mathematischen Modells der neuen Energiespeicher war die experimentelle Analyse des Dendritenwachstums und des Wachstums der SEI. Daher wurde im vorliegenden Projekt das Li-Dendritenwachstum auf met. Li in situ untersucht. Desweitern wurden Li-Dendriten erzeugt und am Rasterelektronenmikroskop charakterisiert. Das SEI-Wachstum wurde mittels elektrochemischer Impedanzspektroskopie sowohl im zeitlichen Verlauf ohne Strombeaufschlagung als auch während der Zyklisierung analysiert. Außerdem kam zur Untersuchung des SEI-Wachstums eine elektrochemische Quarzmikrowaage zum Einsatz. Dabei wurde über die Frequenzänderung eines Quarzmikrokristalls die Massenänderung der SEI charakterisiert. Mit den experimentellen Daten wurde das Dendriten- und SEI-Wachstum mathematisch modelliert. Als Grundlagenmodell wurde die Batteriesimulationssoftware BaSiS des Fraunhofer IEE verwendet und für die met. Li-Elektroden erweitert. Im Projekt wurde das zeit- und ortsaufgelöste Dendritenwachstum erfolgreich implementiert. Das SEI-Wachstum wurde wegen der geringeren Schichtdicke jedoch nur eindimensional berücksichtigt. Die Anwendungsmöglichkeiten der im Rahmen des Projekts gewonnenen Erkenntnisse liegen in den Bereichen der Energietechnik, Erneuerbare Energien, Informations- und Kommunikationstechnik und Software und Softwaresysteme. Die zugehörigen Wirtschaftszweige sind Hersteller von Datenverarbeitungsgeräten, Hersteller von elektrischen Ausrüstungen, Metallerzeuger und -bearbeiter und Energieversorger.