Volumenausdehnung und ihre Auswirkungen auf die Alterung einer zylindrischen Lithium-Ionen-Batterie

• Volume expansion and its effects on the ageing of a cylindrical lithium-ion battery

Willenberg, Lisa Kathrin; Sauer, Dirk Uwe (Thesis advisor); Simon, Ulrich (Thesis advisor)

Aachen : ISEA (2020, 2021)
Buch, Doktorarbeit

In: Aachener Beiträge des ISEA 147
Seite(n)/Artikel-Nr.: 1 Online-Ressource : Illustrationen, Diagramme

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2020

Kurzfassung

Die Entwicklung von Lithium-Ionen-Zellen mit höheren Energiedichten wird unter anderem durch den Einsatz von Legierungsmaterialien vorangetrieben. Anoden werden mit hohen Nickelgehalten in der Kathode kombiniert, um die Energiedichte in 18650-Zellen weiter zu erhöhen. Sowohl die dichte Packung der Materialien als auch die Legierungsbildung durch Silizium in der Anode verstärken die Volumenaus-dehnung und hierdurch die mechanische Belastung, die im Inneren der Zelle während des normalen Betriebs entsteht, und beschleunigen so die Alterung der Zelle. Die mechanischen Eigenschaften von Lithium-Ionen-Zellen sind vor allem bei Anwendungen mit maximaler Energiedichte und Lebensdauer von großer Bedeutung [1], [2]. Aufgrund der Volumenänderungen während des Einsatzes von Lithium-Ionen-Zellen müssen bei der Integration der Zellen in Module, Packs und Systeme geometrische Variationen und die induzierten mechanischen Spannungen berücksichtigt werden [3], [4]. In diesem Zusammenhang führt eine ungeeignete Konstruktion zu einer vorzeitigen Alterung der Komponenten auf allen Ebenen. Im Extremfall kann eine Fehlanpassung von Volumenanforderungen und Geräteintegration zu katastrophalem Versagen führen [5]. Mechanische Alterung, hervorgerufen durch eine Volumenveränderung, könnte einer der Gründe für den frühen und unerwarteten Zelltod sein. Insbesondere, da sich das Volumen von Graphit innerhalb der vorgegebenen Spannungsgrenzen um bis zu 7-12% [3], [6], [7], Lithium-Nickel-Kobalt-Aluminium-Oxid um bis zu 5% [3], Lithium-Nickel-Mangan-Kobalt-Oxid 1-2% [3], [8], [9] und Silizium um bis zu 280% [10] ändern kann. Die zu klärende Frage ist also, wie gravierend der Einfluss der Volumenaus-dehnung auf die Zellalterung bei kommerziell relevanten Zellen im Hinblick auf den Anwendungsfall ist. Ziel dieser Arbeit ist die systematische Untersuchung der Volumenausdehnung und ihre Auswirkungen auf die Alterung von Lithium-Ionen-Zellen. Als Beispiel wird eine zylindrische Lithium-Ionen-Zelle, die Samsung SDI INR18650 35E (Samsung 35E), betrachtet. Zur Überwachung der geometrischen Veränderung, hier der Durchmesseränderung, wird ein Dehnungsmessstreifen verwendet. Es wurden insgesamt 45 Zellen bei zwölf verschiedenen Alterungsbedingungen untersucht. Die zyklischen Alterungsbedingungen unterscheiden sich in ihrem mittleren Ladezustand und ihrer Entladetiefe. Mittels Dehnungsmessstreifen wurde eine stabile und reproduzierbare Methode zur Analyse der Volumenausdehnung von 18650 Lithium-Ionen-Zellen eingeführt. Die folgenden Haupterkenntnisse wurden in dieser Arbeit herausgearbeitet: •Es wird eine vollständige Charakterisierung der Samsung 35E durchgeführt. •Die Kennlinienform der Durchmesseränderung ist abhängig vom Ladezustand und der Lastrichtung. Die Kennlinienform besteht aus drei Bereichen. Einem Minimum bei hohen Ladezuständen (State-of-Charge, SOC), einem Bereich konstanter Steigung (Plateau) bei mittleren SOC und einem Abflachen der Durchmesseränderung bei niedrigen SOC. •Die Kennlinienform der Durchmesseränderung ändert sich mit der Alterung. Die ladezustandsabhängigen geometrischen Veränderungen sind reversibel. Zusätzlich ist ein irreversibler Anstieg der Durchmesseränderung über die Lebensdauer zu beobachten. •Die mittlere Durchmesseränderung und der Kapazitätsverlust korrelieren positiv. Somit kann durch die Messung der mittleren Durchmesseränderung, der State-of-Health bestimmt werden und der plötzliche Zelltod vorhergesagt werden. •Die Verformung des Wickels wird durch die zyklische Alterung verursacht. Mit Hilfe von Computertomographiemessungen wurde der Startzeitpunkt der Verformung bestimmt. Bei einer Alterung der Samsung 35E bei einem mittleren SOC von 10% und einer Zyklentiefe von 20% startet die Verformung des Wickels gleichzeitig mit dem plötzlichen Zelltod. Die gewonnenen Erkenntnisse sollen helfen zukünftige Lithium-Ionen-Zellen im Hinblick auf ihre Volumenausdehnung besser zu designen und ihre Lebensdauer durch eine optimierte Nutzung zu verlängern.

Einrichtungen

• Institut für Stromrichtertechnik und Elektrische Antriebe [614500]
• Lehrstuhl für Stromrichtertechnik und Elektrische Antriebe [614510]
• Lehrstuhl für Elektrochemische Energiewandlung und Speichersystemtechnik [618310]