Simulative Untersuchung des multiphysikalischen Verhaltens von Lithium-Ionen Zellen

Das Leistungs- und Alterungsverhalten von Lithium-Ionen Batterien (LIB) – aktuell die etablierteste Speichertechnologie der E-Mobilität – ist für die Faktoren Reichweite, Ladezeiten sowie Lebensdauer in Elektrofahrzeugen von zentraler Bedeutung. Das Verhalten der LIB wird dabei maßgeblich durch die Prozesse innerhalb ihrer Mikrostrukturebene bestimmt. Lokalisierte Belastungen und inhomogene Verteilungen in der Mikrostruktur der porösen Elektroden können das Leistungsverhalten mindern und sind vor allem mit Blick auf die Degradationsprozesse besonders kritisch.

In dieser Arbeit werden mit Hilfe eines heterogen aufgelösten Mikrostrukturmodells die lokalen Prozesse und Inhomogenitäten in Graphit-Anoden sowie deren Dynamik systematisch simulativ analysiert und die zugrundeliegenden Zusammenhänge dargelegt. ... mehrDie Untersuchung erfolgt hierbei in einer Vollzell-Konfiguration mit einer Interkalations-Gegenelektrode, um die Prozesse der Anode unter den Bedingungen wie im realen Einsatzfall zu untersuchen. Der Einfluss der Temperatur auf die Prozesse in LIB wird durch die Kopplung mit einem thermischen Modellteil erfasst und ist Fokus ergänzender Studien.

Das entwickelte numerische Simulationsmodell zur Untersuchung der multiphysikalischen Transport- und Reaktionsprozesse in generischen Elektrodenstrukturen wird gegen einen etablierten Simulationsansatz aus der Literatur physikalisch plausibilisiert und verifiziert. Durch einen experimentellen Validierungsvergleich anhand des Spannungsverhaltens einer kommerziellen Zelle wird das Simulationsmodell abschließend überprüft.

Für den Schwerpunkt der simulativen Untersuchungen konnten mit Hilfe des Simulationsmodells die, in der Literatur experimentell aufgezeigte, dynamische inhomogene Verteilung der lokalen Strombelastung über die Schichtdicke belegt und die zugrundeliegenden Wechselwirkungen analysiert werden. Als zentrale Einflussgröße konnte die ladezustandsabhängige Gleichgewichtsspannung des Graphits und die Auswirkung ihres charakteristischen Verlaufs nachgewiesen werden. Die in der Literatur anhand von Untersuchungen parallel verschalteter Zellen beschriebene ausgleichende Wirkung der Gleichgewichtsspannung infolge inhomogener Ladezustandsverteilungen, konnte ebenfalls durch die simulativen Untersuchungen dieser Arbeit für die Prozesse innerhalb der Anodenstruktur aufgezeigt werden.

Durch ein systematisches Vorgehen zur Erfassung des individuellen Einflusses der verschiedenen Mikrostrukturparameter, anstelle der häufig in der Literatur betrachteten kombinierten Wirkung mehrerer Parameter auf einmal, konnte der Einfluss von vertikaler Position, von Partikelform, von Partikelgröße sowie einer Gradierung der Partikelgrößen über die Schichtdicke auf die lokalen Prozesse untersucht werden. Ergänzend wurde auch der Einfluss der Temperatur auf die lokalen Prozesse und das Leistungsverhalten der LIB systematisch untersucht. Hieraus konnte die Bedeutung der gekoppelten Betrachtung des thermischen Verhaltens für fundierte Untersuchungen der Prozesse auch in der Mikrostrukturebene belegt werden.

Anhand der gewonnenen Einblicke und Ergebnisse wurde ein Beitrag zum fundierten Verständnis der lokalen Prozesse und Inhomogenitäten sowie den zugrundeliegenden Wechselwirkungen in Graphit-Anoden geleistet. Auf Basis dieser können kritische, lokale Belastungskonfigurationen untersucht sowie aufbauend darauf Optimierungsstrategien der Mikrostruktur bezüglich des Leistungs- und Alterungsverhaltens in nachfolgenden Arbeiten entwickelt werden.

The performance and ageing behaviour of lithium-ion batteries (LIB), which are currently the most established storage technology in e-mobility, is crucial for the factors vehicle range, charging time and lifetime in electric vehicles. The behaviour of LIBs is significantly determined by the processes within their microstructure level. Localised stresses and inhomogeneous distributions in the microstructure of the porous electrodes can reduce the performance and are particularly critical with regard to the degradation processes.

In this work, the local processes and inhomogeneities in graphite anodes as well as their dynamics are systematically analysed by simulation with the aid of a heterogeneously resolved microstructure model and the underlying interactions are shown. ... mehrThe investigation is carried out in a full cell configuration with an intercalation counter electrode in order to investigate the processes of the anode under the same conditions as in the real application. The influence of temperature on the processes in LIB is investigated by coupling with a thermal model and is the focus of additional studies.

A numerical simulation model is developed to investigate the multiphysical transport and reaction processes in generic electrode structures. This model is physically plausibilised and verified against an established modelling approach from the literature. Finally, the model is additionally verified by an experimental validation comparison based on the voltage behaviour of a commercial cell.

For the main focus of the simulative investigations, the simulation model was used to prove the dynamic, inhomogeneous distribution of the local current load over the layer thickness, which was experimentally shown in the literature, and to analyse the underlying interactions. The equilibrium voltage of the graphite, which depends on the state of charge, and the effect of its characteristic curve could be demonstrated as a central influencing variable. The balancing effect of the equilibrium voltage, as a consequence of inhomogeneous charge state distributions, which is described in the literature on the basis of studies of cells connected in parallel, could also be demonstrated for the processes within the anode structure by the simulative investigations of this work.

By using a systematic approach to determine the individual influence of the various microstructure parameters, instead of the combined effect of several parameters at once that is often considered in the literature, it was possible to investigate the influence of vertical position, particle shape, particle size and a grading of the particle sizes across the layer thickness on the local processes. In addition, the influence of temperature on the local processes and the performance of the LIB was systematically investigated. From this, the importance of the coupled consideration of the thermal behaviour for well-founded investigations of the processes in LIB, also at the microstructure level, could be demonstrated.

Based on the insights and results obtained, a contribution was made towards a profound understanding of the local processes and inhomogeneities as well as the underlying interactions in graphite anodes. Based on this, critical local stress configurations can be investigated and, subsequently, optimisation strategies of the microstructure with regard to performance and ageing behaviour can be developed in future work.