Klassifizierung von Lithium-Ionen-Batteriezellen mittels kenngrößenbasierter Methoden
Uwe Westerhoff
Im Zuge der Energie- und Mobilitätswende stellen innovative Energiespeicher eine Schlüsseltechnologie dar, um die Klimaschutzziele des Pariser Abkommens aus dem Jahr 2015 zu erreichen. Der stark steigende Bedarf an Energiespeichern für mobile und stationäre Anwendungen hat zur Folge, dass die Anzahl der Batteriezell-, Modul- und Systemhersteller und deren Produktionskapazitäten rasant wachsen. Die kurzen Zell-entwicklungs- und Produktionshochlaufzeiten tragen zur steigenden Bedeutung der integrierten Qualitätssicherung von der Elektrode bis zum System bei. Ein wichtiger Baustein der integrierten Qualitätssicherung stellt die Klassifizierung von Batteriezellen im Wareneingang eines Modul- und Systemherstellers dar. Die vorliegende Arbeit widmet sich dieser Herausforderung mit einer messtechnischen Analyse der Qualitätsmerkmale von Li-Ionen-Batteriezellen auf Basis elektrischer und elektrochemischer Messmethoden, um eine Klassifizierung von Batteriezellen in einer Wareneingangsprüfung durchführen zu können. Hierzu werden 250 Pouchzellen in einem zweistufigen Qualitätstestverfahren messtechnisch untersucht und deren Eigenschaften durch eine Vielzahl an Kennzahlen in einem Kennzahlensystem zusammengefasst. Der erste Test entspricht einer kurzen zeitsparenden Wareneingangsprüfung (Short Quality Test) unter Anwendung der elektrochemischen Impedanzspektroskopie. Anschließend wird jede Zelle mit einer umfassenden Testroutine aus Kapazitäts-, Ruhespannungs-, C-Raten- und Innenwiderstandsmessung sowie der elektrochemi-schen Impedanzspektroskopie bei unterschiedlichen Ladezuständen charakterisiert und die Ergebnisse mit den Auswertemethoden der differentiellen Spannungsanalyse, der Verteilungsfunktion der Relaxationszeiten und dem Ersatzschaltbildverfahren weiter aufgearbeitet. Diese Kombination von kenngrößenbasierten Methoden entspricht dem Long Quality Test. Das Kennzahlensystem aus den Ergebnissen dieser Testroutine liefert eine gute Trennschärfe der Qualitätsmerkmale, um eine Sortierung und Klassifizierung der Zellen vorzunehmen. Abschließend wurde mit diesem Kennzahlensystem die Güte der kurzen Wareneingangsprüfung bewertet. Mit diesem Kurztest können Zellen mit ausgeprägten Qualitätsmerkmalen identifiziert und klassifiziert werden.
