Swelling-Verhalten von Lithium Ionen Zellen und zerstörungsfreie Detektion des Swelling-Phänomens

Ein bekanntes Alterungsphänomen von Lithium-Ionen-Zellen ist das sogenannte Swelling, bei dem es zu Verformungen der äußeren und inneren Zellgeometrie kommt. Diese Verformungen resultieren aus verschiedenen elektrochemischen und physikalischen Mechanismen und führen zu Degradationseffekten wie Kapazitätsverlust und erhöhtem Innenwiderstand. Zudem stellen die durch Swelling verursachten mechanischen Kräfte eine Herausforderung für die strukturelle In-tegrität von Zellmodulen dar.
In dieser Arbeit wurden die Swelling-Kräfte von Lithium-Ionen-Zellen auf zwei Ebenen – Zell- und Modulebene – untersucht und zerstörungsfrei detektiert. ... mehrDabei kamen verschiedene Mess-methoden zum Einsatz, darunter elektrochemische Impedanzspektroskopie (EIS), Dehnmessstreifen (DMS) und Druckmessfolien (DMF). Auf Zellebene wurden die Ausdehnungen über der gesamten Lebensdauer unter verschiedenen Randbedingungen, Temperaturen und Vorspannkräften erfasst. Hierfür wurde ein spezifischer Testaufbau entwickelt. Auf Modulebene wurden sowohl gealterte Module, Dauerrückläufer, hinsichtlich ihres Swelling-Verhaltens nachträglich analysiert als auch ein Modul, mit unterschiedlicher Messtechnik, aufgebaut, um das Verhalten unter Betriebsbedingungen zu untersuchen. Zusätzlich wurde geprüft, inwiefern ein auf Zellebene erstelltes Modell zur Vorhersage der Swelling-Kräfte auf Modulebene angewandt werden kann.
Die Ergebnisse zeigen, dass Temperatur, Vorspannkraft und Alterungsprozesse das Swelling-Verhalten signifikant beeinflussen. Durch datengetriebene Modellierung konnte die irreversible Zell-Ausdehnung auf Basis zerstörungsfreier Methoden (SoH, EIS, Temperaturmessungen) erfolgreich vorhergesagt werden. Zudem wurde ein Zusammenhang auf Modulebene zwischen EIS, SoH und irreversibler Ausdehnung hergestellt, der durch nachträgliche Messungen an Dauerrückläufern bestätigt wurde. Die über die Lebensdauer des Messmoduls durchgeführten DMS-Messungen lieferten valide Ergebnisse, die sich mit den an den Dauerrückläufern gewonnenen Messdaten deckten. Die Druckmessfolien zeigten eine inhomogene Druckverteilung innerhalb des Moduls, ermöglichten jedoch keine direkte Bestimmung der Swelling-Kräfte. Das auf Zellebene entwickelte Modell konnte die Swelling-Kräfte auf Modulebene erfassen, und ein Vergleich mit einer eingebauten Kraftmessdose bestätigte die Validität des Modells.
Insgesamt konnte die Swelling-Kraft sowohl zerstörungsfrei als auch im Betrieb auf verschiedenen Ebenen analysiert werden. Durch präzise mechanische und elektrochemische Untersuchun-gen auf Zellebene gelang es, eine belastbare Vorhersage der Swelling-Effekte auf Modulebene zu ermöglichen.

A well-known aging phenomenon in lithium-ion cells is swelling, which causes deformations of both the external and internal cell geometry. These deformations result from various electrochem-ical and physical mechanisms, leading to degradation effects such as capacity loss and increased internal resistance. Additionally, the mechanical forces induced by swelling pose a challenge to the structural integrity of cell modules.
In this study, the swelling forces in lithium-ion cells were investigated and non-destructively detected at both the cell and module levels. Various measurement techniques were employed, in-cluding electrochemical impedance spectroscopy (EIS), strain gauges (DMS), and pressure mapping films (DMF). ... mehrAt the cell level, expansion was monitored throughout the entire lifecycle under different boundary conditions, temperatures, and preloads. For this purpose, a dedicated test setup was developed. At the module level, both aged modules were analyzed for swelling behavior retrospectively, and a dedicated test module was built to examine swelling under oper-ational conditions. Additionally, the study assessed whether a model developed at the cell level could be used to predict swelling forces at the module level.
The findings indicate that temperature, preloading force, and aging processes exert a substantial influence on the swelling behavior. Utilizing data-driven modeling methodologies, the irreversible cell expansion could be successfully predicted based on non-destructive methods (SoH, EIS, temperature measurements). Furthermore, a correlation was identified at the module level be-tween EIS, SoH, and irreversible expansion, a finding that was validated through subsequent measurements on aged modules. The strain gauge measurements conducted over the lifetime of the test module provided valid results that were consistent with the measurement data obtained from the aged modules. However, the pressure mapping films revealed an inhomogeneous pressure distribution within the module, precluding a direct determination of swelling forces. The model developed at the cell level was capable of detecting swelling forces at the module level, and a comparison with an integrated force measurement cell confirmed the model's validity.
Overall, swelling forces were successfully analyzed both non-destructively and under operational conditions at different levels. By conducting precise mechanical and electrochemical investiga-tions at the cell level, a reliable prediction of swelling effects at the module level was achieved.