Degradationsmechanismen großformatiger Lithium-Ionen-Batterien für Elektrofahrzeuge

Die Degradationsmechanismen kommerzieller 60 Ah-Lithium-Ionen-Batterien (LIBs) wurden unter dem Einfluss verschiedener Betriebsparameter untersucht und mit einer Begin-of-Life (BoL)-Zelle verglichen. Die Zellen beinhalteten einen Kathodenblend aus LiNi0,8Co0,15Al0,05O2 (NCA), LiNi0,5Co0,2Mn0,3O2 (NCM) sowie LiMn2O4 (LMO) und Graphit als Anodenmaterial. Sowohl die Zyklierung als auch die Lagerung der Zellen führten zum Verlust aktiven Lithiums, wodurch die Kapazität der Zellen abnahm. Aktives Lithium wurde hauptsächlich durch das Wachstum und die Restrukturierung der Solid Electrolyte Interphase (SEI) verbraucht. ... mehrDie Erhöhung der Zykliertemperatur von 25 °C auf 40 °C verstärkte diesen Verlust deutlich, wohingegen die Erhöhung der Lade-/Entladeraten von 1C/2C auf 2C/3C eine geringfügigere Verstärkung herbeiführte. Die Erhöhung der Lagertemperatur von 40 °C auf 60 °C führte ebenfalls zu einem starken Anstieg des Aktivlithiumverlusts. Eine Ermüdung der Kathode wurde zudem im Falle aller zyklierten Zellen festgestellt. Die Schichtoxide NCA und NCM bildeten Mikrorisse aus und wiesen Oberflächenveränderungen auf. Letzterer Effekt erhöhte die Überpotentiale und senkte die Ratenbeständigkeit der Kathode, wodurch sich ratenabhängige Kapazitätsverluste der Kathode ergaben. Die Temperaturerhöhung von 25 °C auf 40 °C verstärkte die Effekte, während die Ratenerhöhung kaum Einfluss darauf nahm. Das LMO zeigte bei 25 °C keine signifikante Ermüdung, während bei 40 °C ein Verlust von Manganspezies festgestellt werden konnte, welche dem LMO zugewiesen wurden. Dadurch ergab sich für das LMO ein phasenspezifischer Kapazitätsverlust, auf welchen die Änderung der Rate nur einen sehr geringen Einfluss hatte.

Degradation mechanisms of commercial 60 Ah lithium ion batteries (LIBs) have been investigated. Different cycling and storage conditions were studied and compared to a cell at the begin of life (BoL). The cells comprised a blended cathode material that consisted of LiNi0,8Co0,15Al0,05O2 (NCA), LiNi0,5Co0,2Mn0,3O2 (NCM), and LiMn2O4 (LMO). The anode material has been graphite. Cycling as well as storage of the cells lead to a loss of active lithium and, therefore, to a loss of cell capacity. Active lithium was primarily consumed by growth and restructuring of the solid electrolyte interphase (SEI). ... mehrIncreasing the cycling temperature from 25 °C to 40 °C lead to a severe increase in the loss of active lithium, while increasing the charge/discharge rates from 1C/2C to 2C/3C lead to a less pronounced increase. Raising the storage temperature from 40 °C to 60 °C also lead to a strong increase in loss of active lithium. Additionally to the loss of active lithium, fatigue of the cathode has been observed for the cells that have been cycled. The layered oxides, NCA and NCM, developed microcracks and comprised structural changes within the surface. The latter effect increased the overpotentials and decreased the rate capabilities leading to a rate dependent capacity loss. Increasing the temperature from 25 °C to 40 °C enhanced these effects, while increasing the rates did not. The LMO did not comprise a significant fatigue after cycling at 25 °C, while cycling at 40 °C lead to a loss of manganese of the cathode that was ascribed to the dissolution of Mn from the LMO. Therefore, LMO featured a phase specific capacity loss that was slightly affected by the change in the rates.