In dieser Arbeit werden Modellansätze für die internen Prozesse großformatiger Lithium-Ionen-Batterien entwickelt sowie experimentell parametriert und validiert. Damit werden sowohl die elektrochemischen Verluste in den Elektroden untersucht als auch deren Wechselwirkung mit der Potential- und Temperaturverteilung großformatiger Zellen. Darüber hinaus werden zulässige Betriebsbedingungen der Zellen identifiziert sowie Potentiale hinsichtlich der Leistungs- und Energiedichtesteigerung aufgezeigt. In this work, model approaches for the internal processes of large-format lithium-ion batteries are developed, experimentally parameterized, and validated. The electrochemical losses in the electrode’s microstructure are investigated as well as their interaction with the heterogeneous potential and temperature distribution of large-format cells. In addition, permissible operating conditions of the cells are identified as well as potentials with regard to increasing power and energy density.
Aktualisiert: 2022-10-06
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In dieser Arbeit wird die Herstellung einer dünnen Schicht aus Lithium-Lanthan-Titanat durch Foliengießen zur Anwendung in einer Lithium-Ionen-Festkörperbatterie beschrieben. Der Einfluss der Zusammensetzung des Schlickers auf seine Fließeigenschaften wird untersucht. Die hergestellten Schichten werden sowohl einzeln als auch in Verbindung mit einer Composite-Anode aus Lithium-Titanat charakterisiert Ihre Eignung für die Anwendung in einer Festkörperbatterie wird demonstriert. In this work the production of a thin film of lithium lanthanum titanate by tape casting for use in a lithium ion solid state battery is described. The influence of the composition of the slip on its flow properties is investigated. The layers produced are characterized both individually and in connection with a composite anode made of lithium titanate. Their suitability for use in a solid-state battery is demonstrated.
Aktualisiert: 2022-04-07
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Der Erfolg batterieelektrischer Fahrzeuge hängt maßgeblich von der Zuverlässigkeit und Vorhersagbarkeit des Batteriespeichers ab. Dieser ist an verschiedene leistungselektronische Schaltungen angeschlossen, durch deren Schaltmuster periodische Stromschwankungen, sog. "Rippel" entstehen. In dieser Arbeit wird der Einfluss dieser hochfrequenten Stromschwankungen auf die Alterung und das Betriebsverhalten von Lithium-Ionen-Zellen durch zyklische Alterungstests mit induzierten, hochfrequenten Stromrippeln eines eigens entwickelten Zelltesters untersucht. Die vergleichende Auswertung zentraler Alterungsparameter, darunter Restkapazität, Innenwiderstand und Polarisationsverhalten, ergibt, dass der Einfluss des Stromrippels auf das allgemeine Alterungsverhalten der Zellen relativ gering ausfällt und deutlich von gravierenderen Einflüssen überlagert wird. Insbesondere bestätigt sich, dass zwischen den Alterungsparametern stets direkte Rückschlüsse gezogen werden können und somit bei der Diagnose der Zellbeschaffenheit keine Unterscheidung zwischen den Zyklisierungsmethoden herangezogen werden muss. Die Messungen zeigen jedoch einen qualitativen Zusammenhang zwischen der im Betrieb erreichbaren Zyklentiefe und den Stromrippeln und legen ebenso einen quantitativen Zusammenhang zwischen der Größe der Stromschwankung und der verringerten Zyklentiefe nahe. Demnach ist im Rahmen typischer Betriebsbedingungen kaum ein Einfluss der Stromrippel auf die Zuverlässigkeit der Zellen zu erwarten, wohl aber ein spürbarer Einfluss auf deren Vorhersagbarkeit.
Aktualisiert: 2022-09-30
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In dieser Arbeit wird das Verhalten einer kommerziellen Pouchzelle sowohl elektrisch als auch post mortem bei Lithium-Plating untersucht. Zur Bestimmung der Betriebsgrenzen für das Schnellladen wird für die untersuchte Zelle ein elektrisches Ersatzschaltbildmodell entworfen, basierend darauf ein optimales Ladeprofil abgeleitet und validiert. Der Einfluss einer mechanischen Kraft auf die ermittelten Betriebsgrenzen wird anschließend über einen dafür entwickelten Messaufbau untersucht. In this work the behavior of a commercial pouch cell is investigated for lithium plating both electrically and post mortem. In order to determine the operating limits for fast charging an electrical equivalent circuit model is designed for the cell under investigation. Based on this, an optimal charging profile is derived and validated. The impact of a mechanical force on the operating charging limits is subsequently analyzed by a measurement setup developed for this purpose.
Aktualisiert: 2022-02-17
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Diese Arbeit präsentiert einen analytischen und numerischen Modellansatz zur Vorhersage der effektiven Wärmeleitfähigkeit poröser Elektrodenbeschichtungen als Funktion von Mikrostrukturparametern. Beide Modelle berücksichtigen die morphologischen Parameter und die thermischen Bulkeigenschaften der fundamentalen Batteriezellkomponenten. Die Ergebnisse beider Modelle wurden erfolgreich gegeneinander verifiziert und durch Literaturdaten sowie eigene experimentelle Messungen validiert. This contribution presents an analytical and a numerical model for predicting the effective thermal conductivity of porous electrode coatings as a function of microstructure parameters. Both models account for the morphological parameters and the thermal bulk materials of the constitutive cell components. The results of both models have been successfully verified against each other and validated with literature data as well as own experimental measurements.
Aktualisiert: 2021-11-25
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Ein thermodynamischer Ansatz wird verwendet, um neue Erkenntnisse über den Reaktionsmechanismus und die Zusammenhänge zwischen elektrochemischen und thermodynamischen Eigenschaften der Konversionselektroden im Materialsystem Li-Co-O zu erlangen. Hierfür wurden thermodynamische Modellierungen mit der CALPHAD-Methode und Messungen der thermodynamischen und elektrochemischen Eigenschaften der Elektrodenmaterialien verwendet. A thermodynamic approach is used to gain new insights into reaction mechanism and correlations between electrochemical and thermodynamic properties of conversion electrodes in the material system Li-Co-O. For this purpose, thermodynamic modeling using the CALPHAD method as well as measurements of the thermodynamic and electrochemical properties of the electrode materials were performed.
Aktualisiert: 2021-02-11
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Lithium-Ionen Batterien sind aufgrund ihrer hohen Energie- und Leistungsdichte in vielen Anwendungen weit verbreitet. Ein wichtiger Faktor ist hierbei aber auch die Lebensdauer. So kommt es während des Betriebs sowohl zu einem Kapazitätsverlust, als auch zu einem Anstieg des Innenwiderstandes. Ziel der Arbeit ist die Identifikation und Quantifizierung der Degradationsanteile bei kalendarischer und zyklischer Belastung und die Auswirkung der Elektrodenmikrostruktur auf das Alterungsverhalten. Lithium-ion batteries are widely used in many applications due to their high energy and power density. However, an important factor here is also the lifetime. During operation there is a loss of capacity as well as an increase of internal resistance. The aim of this work is the identification and quantification of the degradation processes under calendar and cyclical aging and the effect of the electrode microstructure on the ageing behaviour.
Aktualisiert: 2021-02-11
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Modelle, die das Verhalten einer Lithium-Ionen Batterie beschreiben können, sind sowohl für die Produktentwicklung als auch für die zuverlässige Steuerung des Batteriebetriebs durch ein Batteriemanagementsystem unabdingbar. In dieser Arbeit wird ein Modell entwickelt, parametriert und validiert, das in der Lage ist, das elektrische Verhalten einer Lithium-Ionen Zelle während ihrer gesamten Lebensdauer zu prädizieren. Models that can describe the behavior of a lithium-ion battery are indispensable for product development as well as for the reliable control of the battery operation by a battery management system. In this work a model is developed, parametrized and validated that can predict the electric behavior of a lithium-ion cell throughout its entire lifetime.
Aktualisiert: 2021-02-11
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In dieser Arbeit wird das modellgestützte Kathodendesign für Lithium-Ionen Batterien vorgestellt, welches eine systematische Minimierung der Verluste und Steigerung der Energie- und Leistungsdichte ermöglicht. Durch eine Kombination von Mikrostrukturanalyse mittels FIB/SEM-Tomographie und elektrochemischer Impedanzspektroskopie wird das Kathodenmodell unabhängig von Literaturdaten parametriert und anschließend validiert. The model-aided cathode design for lithium ion batteries is presented, which enables a systematically minimization of loss processes and an increase of power and energy density. The cathode model is parametrized without values from literature by combining microstructure analysis via FIB/SEM tomography and electrochemical impedance spectroscopy and finally validated.
Aktualisiert: 2021-02-11
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Das Energiemanagement batterieelektrischer Fahrzeuge ist entscheidend, um das Potential der Batterie bestmöglich auszunutzen. In dieser Arbeit werden daher die Anforderungen an das Energiemanagement herausgearbeitet und mathematisch als Optimierungsproblem beschrieben. Es werden Strategien vorgestellt, wie im Entwicklungsprozess mittels Dynamischer Programmierung und im Fahrbetrieb basierend auf dem Maximumprinzip alle wesentlichen Einflüsse berücksichtigt werden können. The energy management of battery electric vehicle is important for maximum utilisation of the battery. This book elaborates the requirements of the energy management and defines them as mathematical optimization problem. Strategies for the development process based on dynamic programming and for driving operation based on Pontryagin’s maximum principle are presented to consider all significant influences.
Aktualisiert: 2021-02-11
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Der sogenannte Hochvoltspinell (LiNi0,5Mn1,5O4) stellt aufgrund seiner hohen Arbeitsspannung ein vielversprechendes Kathodenmaterial dar. In dieser Arbeit wird die Kinetik des Kapazitätsverlustes während der Zyklierung sowie der Einfluss von Beschichtungen auf diesen untersucht. Weiterhin wird das elektrochemische Verhalten bei dem Einbau von mehr als einem Lithium pro Formeleinheit für unterschiedlich dotierte Spinelle diskutiert. Due to its high operating voltage the so-called high voltage spinel (LiNi0,5Mn1,5O4) is a promising cathode material. In this work the kinetics of the capacity loss during cycling and its change due to different coatings are analyzed. In a second part the electrochemical behavior for the insertion of a second lithium per formula unit is discussed for different doped spinel materials.
Aktualisiert: 2021-02-11
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Um das Strom-Spannungs-Verhalten einer Lithium-Ionen-Batterie zu untersuchen und zu verstehen, muss ihre Impedanz im Niederfrequenzbereich analysiert werden. Diese Arbeit behandelt Messung, Modellbildung und Modellvalidierung in diesem Niederfrequenzbereich und führt mit der Verteilungsfunktion der differentiellen Kapazität (DDC) ein neuartiges Werkzeug zur Analyse der Kapazitätsbeiträge unterschiedlicher Partikelgrößen und Partikelarten im Innern einer Lithium-Ionen Batterie ein. In order to understand the current-voltage behaviour of a Lithium-Ion Battery, its impedance needs to be investigated in the low-frequency domain. This work deals with measurement, modelling and model validation in that low-frequency domain and introduces the Distribution-Function-of-Differential-Capacity (DDC) as a new tool for investigating capacity contributions of different particle sizes and particle types inside of a Lithium-Ion Battery.
Aktualisiert: 2021-02-11
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Konversionselektroden sind vielversprechende Elektrodenmaterialien für zukünftige Lithium-Ionen-Batterien, da sie sehr hohe spezifische Kapazitäten im Vergleich zu Interkalationselektroden aufweisen. In dieser Arbeit wird ein thermodynamischer Ansatz gewählt, um den elektrochemischen Prozess von Konversions-Elektroden anhand der Modell-Systeme Li-Cu-O und Li-Fe-O zu beleuchten. Mit den konsistenten thermodynamischen Beschreibungen können elektrochemische Eigenschaften berechnet werden. Conversion-type electrodes are promising electrode materials for future lithium ion batteries since they exhibit high specific capacities compared to intercalation-type eclectrodes. In this work, a thermodynamic approach was used to elucidate the electrochemical behavior of conversion-type electrodes using Li-Cu-O and Li-Fe-O as model material systems. electrochemical properties can be calculated using self-sonstistent thermodynamic descriptions developed in this work.
Aktualisiert: 2021-02-11
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