Model-Supported Lithium-Ion Battery Diagnostics for Knowledge-Based Cell Optimization

Lithium-Ionen-Batterien sind von zentraler Bedeutung für ein breites Spektrum von Anwendungen, von Smartphones über Elektrofahrzeuge bis hin zu stationären Energiespeicherlösungen. Mit der schnell wachsenden Nachfrage nach diesen Batterien wird die effiziente Verarbeitung von teuren Rohstoffen in langlebige Zellen mit überlegenen Leistungsmerkmalen immer wichtiger.

In dieser Arbeit wird physikochemische Modellierung auf zwei grundlegend leistungs- und kostenbestimmende Phasen in der Herstellung von Lithium-Ionen-Batterien angewandt: Zelldesign und Zellproduktion. Zunächst werden anhand einer modellbasierten Designstudie die Herausforderungen optimalen anwendungsspezifischen Zelldesigns aufgezeigt. ... mehrDabei wird die Bedeutung der seltener untersuchten Ladeleistung in den Fokus gestellt, da diese für eine ganzheitliche Optimierung eines Zelldesigns entscheidend ist. Anschließend wird der Formierungsprozess, einer der teuersten Prozessschritte in der Batterieproduktion, analysiert. Dieser umfasst das erste Laden und Zyklisieren einer Lithium-Ionen-Batterie, welches eine kontrollierte Bildung der Solid Electrolyte Interphase (SEI) auf dem Anodenaktivmaterial gewährleistet. Trotz intensiver Forschung sind die initiale Bildung der SEI und ihr Effekt auf die Zelldegradation und -leistungsfähigkeit noch nicht vollständig verstanden. Aus diesem Grund wird ein Zell- und SEI-Modell entwickelt, das eine zerstörungsfreie Charakterisierung dieses komplexen Oberflächenfilms für verschiedene Formierungsprozeduren ermöglicht. Dabei stellt die gemeinsame Parametrierung mit Entladungsmessungen und elektrochemischen Impedanzspektren sicher, dass die ermittelten Parameter zuverlässige Einblicke in das Zellverhalten ermöglichen. Mit diesem Ansatz kann schließlich der Zellzustand unmittelbar nach der Formierung ermittelt und seine Veränderung im Laufe der Alterung untersucht werden.

Zusammenfassend zeigt diese Arbeit die Bedeutung eines ganzheitlichen Ansatzes für Zelldesign und -diagnostik. Ohne ein gutes Verständnis der Entlade- und Ladeeigenschaften einer Zelle ist eine eindeutige Identifizierung überlegener Zelldesigns für spezifische Anwendungen nicht möglich. Die gemeinsame Analyse experimenteller C-Ratentests und Impedanzdaten ist entscheidend für eine zuverlässige Differenzierung zwischen Zelleigenschaften auf Partikel- und Elektrodenebene. Mit diesem Ansatz konnten die Leistungsunterschiede nach verschiedenen Formierungsprozeduren detailliert untersucht werden. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass sich unterschiedliche Oberflächenfilme in der Anode und der Kathode ausbilden, die im Zusammenhang mit signifikanten mikrostrukturellen Änderungen in den Elektroden stehen.

Lithium-ion batteries power an increasingly broad spectrum of applications, from smartphones to electric vehicles and stationary energy storage solutions. With the rapidly growing demand for these batteries, the efficient transformation of expensive raw materials into long-lasting cells with superior performance characteristics becomes increasingly important.

In this thesis, physicochemical modeling is used to advance the understanding of two fundamentally performance- and cost-defining phases in the creation of a lithium-ion battery: cell design and cell production. ... mehrFirst, a model-based design study is used to exemplify the challenges of optimal cell design, providing a guideline for application-tailored electrode design optimization. Here, the importance of the seldom-reported charge performance is highlighted, which is crucial for a holistic cell design optimization. Secondly, the cell formation process, one of the most expensive process steps in battery production, is analyzed. This process comprises the first charging and cycling of a lithium-ion battery, which ensures a controlled formation of the so-called solid electrolyte interphase (SEI) on the anode active material. Despite intensive research, the initial SEI formation and its impact on cell degradation and performance are still not fully understood. For this reason, a physicochemical cell and SEI model is developed, which enables a non-destructive characterization of this intricate surface film for different formation procedures. Here, the joint parameterization with discharge curves and electrochemical impedance spectra ensures that the parameter estimates provide meaningful insights into the experimentally observed cell behavior. Eventually, this approach can be used to analyze the cell state immediately after formation, as well as the evolution of this state during aging.

In summary, the results in this thesis underline the importance of a holistic approach toward cell design and cell diagnostics. A clear identification of superior cell designs for specific applications is impossible without a good understanding of a cell's discharge and charge characteristics. Likewise, the joint analysis of experimental C-rate tests and impedance data is crucial for a reliable differentiation between electrode- and particle-level cell properties, providing rapid yet non-destructive insights into performance-sensitive cell properties. This approach was used to investigate the origin of performance improvements for variations in the formation process. The results indicate that the chosen procedure affects the surface film formation in both the anode and cathode, which is associated with significant microstructural changes in the electrodes.