Analyse und Modellierung der Volumenänderung prismatischer Lithium-Ionen-Zellen zur Prädiktion der Druckentwicklung in Batteriespeichersystemen (Band 32)
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Die geometrischen und mechanischen Eigenschaften von Lithium-Ionen-Zellen unterliegen komplexen elektrochemischen Reaktionen und spielen eine entscheidende Rolle bei der Auslegung von Batteriesystemen. Durch reversible Interkalationsprozesse, sowie irreversible Alterungsvorgänge, kommt es zu einer Volumenänderung der Aktivmaterialien. Diese muss, je nach Zell- und Batteriedesign, durch definierte Maßnahmen berücksichtigt werden. Bei prismatischen Lithium-Ionen-Zellen wirkt sich die Volumenänderung vor allem auf die Zelldicke, orthogonal zur Schichtebene der Elektroden aus. Das starre Zell...
Die geometrischen und mechanischen Eigenschaften von Lithium-Ionen-Zellen unterliegen komplexen elektrochemischen Reaktionen und spielen eine entscheidende Rolle bei der Auslegung von Batteriesystemen. Durch reversible Interkalationsprozesse, sowie irreversible Alterungsvorgänge, kommt es zu einer Volumenänderung der Aktivmaterialien. Diese muss, je nach Zell- und Batteriedesign, durch definierte Maßnahmen berücksichtigt werden. Bei prismatischen Lithium-Ionen-Zellen wirkt sich die Volumenänderung vor allem auf die Zelldicke, orthogonal zur Schichtebene der Elektroden aus. Das starre Zellgehäuse kann dabei Einfluss auf die lokale Dickenänderung nehmen, was zu einer inhomogenen Druckverteilung im Modul führen kann. Aufgrund der Gehäuseeinflüsse sowie der lokalen Dickenunterschiede, ist eine dreidimensionale Untersuchungsmethode zur Charakterisierung der Zellen zu empfehlen. Ohne externen Druck können Faktoren wie Gasinnendruck, Faltenbildung oder plastische Deformationen die Gehäusetopografie beeinflussen, wodurch kein eindeutiger Zusammenhang zwischen der Außengeometrie und der lokalen Zelldicke hergestellt werden kann. Im Rahmen dieser Arbeit wurde eine neuartige Untersuchungsmethode entwickelt, die erstmals eine repräsentative Vermessung der 3D-Geometrie einer prismatischen Lithium-Ionen-Zelle ermöglicht. Dabei wird die Zelle über Druckluft homogen verspannt und gleichzeitig mittels Laserscannern erfasst. Mit der Durchführung einer Messreihe mit großformatigen prismatischen Zellen konnte der lokale Zusammenhang zwischen der Zelldicke, dem Ladezustand, dem Alterungszustand, dem externen Druck und der Temperatur untersucht werden. Während die thermische Ausdehnung keinen wesentlichen Einfluss hat, spielt der externe Prüfdruck eine entscheidende Rolle für die Wachstumsraten der Zellen. Sprunghafte Druckänderungen können sowohl zu einer überproportionalen Dickenzunahme, aber auch zu einer Dickenabnahme führen. Der lokale Einfluss des Zellgehäuses wirkt sich vor allem in den starren Randbereichen der Zelle aus. Aus den gewonnenen Messdaten konnte ein 3D-Zellmodell generiert werden, welches auch inhomogene Druckbedingungen und reale Einspannbedingungen abbilden kann. Die Validierung des Modells erfolgte über eine Zellmessung in starrer Einspannung und dem Einsatz einer Druckmessfolie, welche die lokale Verteilung der Druckspannungen auf der Zelloberfläche messen kann. Durch die Variation verschiedener Parameter können die wesentlichen Einflussfaktoren auf die Druckentwicklung und die Lebensdauer eines Batteriesystems bestimmt werden. Durch zusätzliche Messreihen und die Erweiterung der Untersuchungsmethode kann zukünftig ein ganzheitliches 3D-Modell erstellt werden, welches auch die Wechselwirkungen der jeweiligen Alterungseffekte mit den lokalen Rahmenbedingungen abbilden kann.
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