Lokale Halbzell-Modellierung zur Identifikation von elektrisch-thermischen Betriebsfenstern von Lithium-Ionen-Batteriezellen

Lithium-Ionen-Batterien (LIB) sind die derzeit vorherrschende Batterietechnologie und werden in einer großen Bandbreite von Anwendungen und Größenordnungen eingesetzt. Insbesondere im Mobilitätssektor spielen sie eine Schlüsselrolle, wobei die Reichweite, Lebensdauer sowie Ladezeit der Elektrofahrzeuge entscheidend vom Leistungs- und Alterungsverhalten der verwendeten LIB abhängen. Das Gesamtverhalten der LIB wird durch die zugrundeliegenden multiphysikalischen Transport- und Reaktionsprozesse beeinflusst. Für die Bestimmung der Betriebsfenster, innerhalb derer die Batterie optimal hinsichtlich Sicherheit und Schädigung betrieben werden kann, sind Kenntnisse über die lokalen Prozesse der beiden Halbzellen entscheidend. ... mehrInsbesondere bei großformatigen Batteriezellen kann es abhängig vom Belastungsfall sowie der Umgebungseinflüsse zu Inhomogenitäten in Ladezustand sowie Temperatur innerhalb der Zelle kommen. Diese beiden Faktoren beeinflussen signifikant die lokalen Prozesse und haben somit eine direkte Auswirkung auf die Betriebsfenster der Batteriezellen.

In dieser Arbeit werden vor dem oben genannten Hintergrund die Betriebsfenster einer 60 Ah Pouchzelle für den Fahrzeugeinsatz mittels eines echtzeitfähigen lokal aufgelösten elektrisch-thermischen Halbzell-basierten Modells untersucht und identifiziert. Die Parametrierung des Modells erfolgt auf Halbzellebene mithilfe von Experimentalzellen, in denen die aus der Pouchzelle entnommenen Elektroden gegen eine Lithium-Referenzelektrode vermessen werden. Bei Experimentalzellen handelt es sich um kleine im Labor gefertigte Batteriezellen, die die Möglichkeit bieten, einfach und schnell einzelne Komponenten auszutauschen und hierdurch umfangreiche Materialstudien durchzuführen. Im Vergleich zu kommerziell gefertigten Zellen weisen sie jedoch eine zumeist große Zell-zu-Zell-Streuung auf. Daher stellt sich die Frage, inwiefern die Ergebnisse einer manuell gefertigten Experimentalzelle genutzt werden können, um aussagekräftige Ergebnisse über die lokalen Prozesse der Halbzellen in einer großformatigen Batteriezelle zu erhalten.

Zur Untersuchung dieser Fragestellung wurde eine Methodik für den Aufbau und die Nachformierung der Experimentalzellen entwickelt, die eine reproduzierbare und aussagekräftige Charakterisierung auf Halbzellebene mittels Experimentalzellen ermöglicht. Mit Hilfe dieser Methodik konnten fundierte Untersuchungen zur Halbzell-Impedanz von Anode und Kathode durchgeführt und das in der Literatur bereits aufgezeigte Phänomen von "inductive loops" (IL) im Impedanzspektrum der Anode untersucht werden. Durch verschiedene Analysen konnte gezeigt werden, dass es sich bei den IL nicht um Elektrodenprozesse handelt. Zur Untersuchung, für welche Betriebsfälle das Verhalten der Experimentalzelle auf die Pouchzelle übertragen werden kann, wurde ein systematischer Vergleich des Impedanz- sowie Leistungsverhaltens von Pouch- und Experimentalzellen in einem für diese Arbeit definierten Standardaufbau, bestehend aus den präparierten Elektroden aus der Pouchzelle in Kombination mit kommerziell verfügbarem Separator und Elektrolyt, durchgeführt. Auf Grundlage dieser Studien konnte für die Modellierung ein ohmscher Korrekturfaktor abgeleitet werden, durch den die Nachbildungsgüte des realen Pouchzellverhaltens durch das Simulationsmodell entscheidend verbessert werden konnte.

Das in MATLAB entwickelte echtzeitfähige elektrisch-thermische Modell simuliert das Gesamtzellverhalten auf Basis der in einer 2D-Schnittebene lokal aufgelösten Halbzellen. Dies ermöglicht die Darstellung von inhomogenen Temperaturen sowie Ladezuständen in der Pouchzelle. Mit dem entwickelten Modell wurden sichere Betriebsfenster für verschiedene Bedingungen unter Betrachtung der Elektrodenpotentiale simulativ untersucht und identifiziert. Weiterhin wurde das Schnellladeverhalten der Pouchzelle betrachtet und mithilfe des Modells dynamische Ladeprotokolle mit reduzierter Ladezeit im Vergleich zu einer konstanten 2C-Ladung entwickelt. Ergänzend erfolgte eine experimentelle Untersuchung der Zellen nach der Schnellladung mit einer optischen Post-Mortem-Analyse, welche Rückschlüsse auf tatsächliche Schädigungen sowie die Anwendbarkeit des Modells aufzeigt.

Lithium-ion batteries (LIB) are currently the predominant battery technology and are used in a wide range of applications and sizes. They play a key role in the mobility sector in particular, where the range, service life and charging time of electric vehicles depend crucially on the performance and aging behavior of the LIB used. The overall behavior of the LIB is influenced by the underlying multiphysical transport and reaction processes. Knowledge of the local processes of the two half cells is crucial for determining the operating windows within which the battery can be operated optimally in terms of safety and damage. ... mehrDepending on the operating scenario and environmental influences, inhomogeneities in the state of charge and temperature within the cell can occur, particularly in large-format battery cells. These two factors significantly influence the local processes and therefore have a direct impact on the operating window of the battery cells.

In this context, this work investigates and identifies the operating windows of an automotive 60 Ah pouch cell using a real-time capable, locally resolved electro-thermal half-cell model. The model is parameterized at half-cell level using experimental cells in which the potential of the electrodes taken from the pouch cell are measured against a lithium reference electrode. Experimental cells are small battery cells manufactured in the laboratory, which offer the possibility to easily and quickly exchange individual components and thus carry out extensive material studies. Compared to commercially manufactured cells, however, they usually exhibit large cell-to-cell variations. Therefore, the question arises to what extent the results of a manually manufactured experimental cell can be used to obtain meaningful insights into the local processes on the half-cells in a large-format battery cell.

To investigate this question, a methodology was developed for the assembly and post-formation of the experimental cells, which enables reproducible and meaningful characterization at half-cell level using experimental cells. With the help of this methodology, profound investigations of the half-cell impedance of anode and cathode could be carried out and the phenomenon of "inductive loops" (IL) in the impedance spectrum of the anode, which has already been shown in the literature, could be investigated. Various experimental studies have shown that the IL are not caused by electrode processes. To investigate for which operating cases the behavior of the experimental cell can be transferred to the pouch cell, a systematic comparison of the impedance and performance behavior of pouch and experimental cells was carried out with a standard setup defined for this work, consisting of the extracted electrodes from the pouch cell in combination with a commercially available separator and electrolyte. Based on these studies, an ohmic correction factor could be derived for the modeling, through which the simulation model was able to significantly improve the reproduction quality of the real pouch cell behavior.

The real-time capable electro-thermal model developed in MATLAB simulates the overall cell behavior from the locally resolved half-cells in a 2D cross section. This enables the representation of inhomogeneous temperatures and states of charge in the pouch cell. The developed model was used to investigate various operating scenarios, taking into account the electrode potentials, and to identify operating windows. Furthermore, the fast charging behavior of the pouch cell was investigated and charging protocols with reduced charging time compared to a constant 2C charge were developed using the model. In addition, an experimental study of the cells after fast charging was carried out with an optical post-mortem analysis, which showed the actual degradations and the applicability of the model.