Die vorliegende Arbeit beschreibt die Entwicklung und Validierung eines ereignisbasierten Lebensdauermodells für Lithiumionenzellen mittels linearer Schadensakkumulation am Beispiel von Lithium-Nickel-Mangan-Kobalt-Oxid-Zellen mit Graphitanode. Es wird der Unterschied zwischen Alterungsuntersuchungen und Lebensdauerprognose thematisiert. Als Kriterium für das Lebensdauerende der Zellen wird eine Kapazitätsabnahme um 30 % bzw. Innenwiderstandszunahme um 200 % verwendet. Versuche mit unterschiedlichen Entladeströmen und Zyklentiefen haben gezeigt, dass das Lebensdauerende unter der Annahme der Additivität des Lebensdauerverlusts pro Ereignis bzw. Zyklus bestimmt werden kann. Das Lebensdauerprognosemodell kann genutzt werden, um mit Hilfe synthetischer Lastprofile einen beschleunigten Lebensdauertest zu definieren und die Restlebensdauer bei Second-Life-Konzepten abzuschätzen.
Aktualisiert: 2023-01-01
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Lithium-Ionen-Batterien liefern heutzutage die Energie für nahezu alle portablen Elektronikgeräte und sind aufgrund ihrer hohen Energie- und Leistungsdichte ein zukunftsfähiger Energiespeicher für Elektrofahrzeuge. Die immer höheren Energiedichten bei gleichzeitig größeren Lasten lassen den Sicherheitsaspekt an Bedeutung gewinnen. Dabei spielt der Separator eine zentrale Rolle. Er trennt beide Batterieelektroden räumlich voneinander und verhindert so deren Kurzschluss. Üblicherweise basieren heutige Separatoren auf mikroporösen Polymerfolien mit niedrigen Schmelzpunkten, welche im Falle einer Zellbeschädigung nicht zuverlässig vor einem thermischen Durchgehen der Batterie schützen können. Zudem sind diese Separatoren chemisch-passive Zellkomponenten, die keinen positiven Beitrag zu elektrochemischen Reaktionen liefern können.
Diese Arbeit beschäftigt sich mit der Entwicklung hochtemperaturstabiler, chemisch-aktiver Separatoren. Hauptbestandteil der Separatoren sind flächige mikrometergroße Glaspartikel, die entweder in Glasfaser-Basisvliese integriert werden, um selbsttragende Separatoren zu konzeptionieren, oder die direkt auf Batterieelektroden kalandriert werden. Damit wird eine Temperaturstabilität von 600 °C erreicht. Zudem verbessern diese Separatoren auch das Alterungsverhalten von Lithium-Ionen-Batterien. Grund hierfür ist eine Wechselwirkung des Separatorglases mit dem Batterieelektrolyten, die dadurch gekennzeichnet ist, dass im Elektrolyten vorhandene Fluorwasserstoffsäure das Glas oberflächlich anätzt. Dadurch gehen Ionen des Glases in Lösung und fungieren, sofern die Glaszusammensetzung richtig eingestellt ist, als Elektrolytadditive, die ihre Wirkung vor allem an den Batterieelektroden entfalten. In Folge dessen erhöht sich die Be- und Entladeeffizienz, die Be- und Entladedynamik wird verbessert und das Altern des elektrochemischen Systems wird gehemmt.
Aktualisiert: 2020-07-07
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