Über die Nutzungsdauer hinweg verringert sich die Leistungsfähigkeit von Lithium-Ionen Zellen. Diese Degradation wird durch unterschiedliche Alterungsprozesse verursacht und kann in einem abrupten Einbrechen des sogenannten Gesundheitszustands einer Batteriezelle enden und eine gezielte Second-Life Nutzung erschweren. Das Ziel dieser Arbeit ist eine modellbasierte und experimentelle Untersuchung der Alterung einschließlich der Möglichkeit zur Beeinflussung des Alterungsverhaltens über die Ladestrategie und das Anodendesign. Im Modell kann sowohl durch die Ladestrategien als auch die Verwendung von Porositätsprofilen in der Anode mit höherer Porosität am Separator das Alterungsverhalten verbessert und das Einbrechen der Kapazität bei hoher Zyklenzahl deutlich abgeschwächt werden, wobei das Anodendesign im Vergleich einen größeren Effekt aufweist. Auch in Laborversuchen weisen Zellen mit einem zweistufigen Anodenaufbau in verschiedenen Zellformaten (Knopf- und Pouchzellen, Halb- und Vollzellen) eine bessere Zyklenstabilität gegenüber einem herkömmlichen Aufbau auf.
Aktualisiert: 2023-01-01
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Der Fokus dieser Arbeit liegt auf der Modellierung von relevanten Degradationsmechanismen in konventionellen Zellsystemen mit Graphit/NMC Elektroden und LiPF6-haltigem Elektrolyten. Potentiale vor allem bezüglich der Parametrierung physikalisch-chemischer Modelle sowie digitaler Simulationsstudien zur Optimierung der Lebensdauer werden aufgezeigt und effizient genutzt. Es werden überwiegend modellbasierte und nicht-invasive Analysemethoden entwickelt und angewandt. The focus of this work is on the modelling of the degradation behaviour of conventional lithium-ion cells with graphite/NMC electrodes in conjunction with electrolytes based on LiPF6 in organic solvents. The potential for improvements of parameterization methods dealing with physical-chemical aging effects and simulation studies for optimization of the battery lifetime is shown. In the process of model parameterization mostly data-based as well as non-invasive analysis methods are used.
Aktualisiert: 2022-03-03
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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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Die vorliegende Arbeit präsentiert Messmethoden zur Untersuchung der Auswirkungen von externem Zelldruck auf Lithiumeisenphosphat/Graphit Pouchzellen. Eingespannte Pouchzellen zeigen bis zu einem Druckoptimum eine maximale zyklische Lebensdauer, welche mit zunehmendem Zelldruck wieder abnimmt. Ziel der Arbeit ist es, geeignete Messmethoden sowie den optimalen Zelldruck zu finden. Die Untersuchung der Ursachen erfolgt zunächst durch eine Analyse von Spannungs- und Zelldruckkurven sowie den elektrischen Kenngrößen der Zelle. Anschließend werden systematisch die Kinetik der Gefügeumwandlung mittels der JMAK-Gleichung sowie die Grenzflächen untersucht. Eine abschließende Betrachtung der Diffusionskoeffizienten schließt diesen Teil der Arbeit ab. Dem folgen die Ergebnisse der zyklischen Alterungsmessung, welche sowohl die Kapazitäts- als auch Zelldruckkurven untersucht. Bei einem Zelldruck von pZelle = 0,1 MPa zeigen die Pouchzellen die geringste Alterungsrate, was durch ein Minimum der Aktivierungsenergie der Gesamtkinetik sowie dem geringsten Diffusionskoeffizienten bestätigt wird.
Aktualisiert: 2023-01-01
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Die vorliegende Arbeit untersucht Thermal Runaway und Thermal Propagation in großformatigen Traktionsbatterien im Automotive-Bereich mit Lithium-Ionen- Zellen. Hierfür führt die Arbeit Charakterisierungsmethoden für Lithium-Ionen- Zellen mit hoher Kapazität ein, identifiziert Einflussgrößen und untersucht den Effekt von Entladeströmen bei parallel verschalteten Zellen im Zustand der Thermal Propagation. Der zweite Teil der Arbeit analysiert das entstehende Venting-Gas und bewertet verschiedene Sensoren auf ihre Fähigkeit hin, einen Thermal Runaway in einer automotiven Lithium-Ionen-Batterie zu detektieren.
Aktualisiert: 2022-03-17
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Eine große Herausforderung in der Produktion von Lithium-Ionen Pouchzellen ist die Umsetzung besonderer geometrischer Formate. Hohe Elektrodenstapel führen zu prozessseitigen Herausforderungen bei der Herstellung der sicherheitsrelevanten Komponente „Verpackung“: Wie umfangreiche experimentelle Untersuchungen anhand eines festgelegten Prozesssystems in dieser Arbeit zeigen, stößt die verwendete Aluminiumverbundfolie beim Tiefziehen aufgrund der dünnen Materialstärke an ihre Grenzen. Diese Arbeit führt deshalb mit der Pouch-Faltschachtel ein alternatives Verpackungskonzept ein, das Elektrodenstapel, deren Verpackung nicht mehr mit dem Tiefziehen hergestellt werden können, aufnehmen kann. Zudem können auch nicht-rechteckige Elektrodenstapelgrundflächen umgesetzt werden. Die Pouch-Faltschachtel wird hinsichtlich ihrer Funktionalität untersucht und bestätigt. Beide Verpackungsdesigns, die tiefgezogene Verpackung und die Pouch-Faltschachtel, werden abschließend gegenübergestellt und bewertet. Dies erfolgt unter Anderem durch die manuelle Fertigung realer, großformatiger Pouchzellen und deren elektrischen Charakterisierung. Durch die gewonnenen Erkenntnisse werden die geometrischen Einschränkungen von Pouchzellen reduziert. Dadurch wird ihr Einsatzgebiet auf Bauräume in Elektrofahrzeugen, die geometrisch nicht auf ein Standard-Zellformat abgestimmt sind, erweitert.
Aktualisiert: 2020-07-01
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Die größte Herausforderung beim Ausbau erneuerbarer Energien durch speicherstationäre Systeme und der flächendeckenden Umsetzung von Elektromobilitätskonzepten stellt die Bereitstellung von leistungsfähigen Energiespeichern in Form von Lithium-Ionen-Zellen dar. Für deren Herstellung gelten hohe Qualitätsanforderungen, weshalb derzeit aufwändige Prozesse und Maschinen zum Einsatz kommen, die zu hohen Fertigungskosten führen.
Besonders bei der Bildung des Zellstapels aus den Funktionsschichten Anode, Kathode und Separator, der die leistungsbestimmende Komponente einer Zelle darstellt, werden in aktuellen Maschinen sehr viele Qualitätssicherungsschritte unter Zuhilfenahme aufwändiger Sensorik durchgeführt. Weil die Zellstapelbildung zudem in einem Trockenraum stattfinden muss, gilt sie als einer der kostenintensivsten Prozessschritte.
Das Ziel dieser Arbeit war deshalb die methodische Entwicklung, prototypische Umsetzung und Erprobung eines produktiven und wirtschaftlichen Maschinenkonzepts für die automatisierte Produktion von qualitativ hochwertigen Zellstapeln nach dem Prinzip der sogenannten Einzelblattstapelbildung.
Mit der in dieser Arbeit entwickelten Lösung steht damit ein Produktionsverfahren zur Verfügung das es erlaubt, qualitativ hochwertige Zellstapel von Lithium-Ionen-Zellen nach dem Fertigungsverfahren der Einzelblattstapelbildung für den Einsatz in Elektromobilitätsanwendungen oder in stationären Speichern herzustellen. Dabei konnte die Komplexität der Anlagentechnik durch die Anwendung des funktionsintegrierten Fertigungsprinzips, gegenüber dem Stand der Technik, reduziert werden und damit ein Beitrag zur Kostensenkung von Lithium-Ionen-Zellen geleistet werden.
Aktualisiert: 2020-12-08
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Qualitätsorientierte Analyse komplexer Prozessketten am Beispiel der Herstellung von Batteriezellen
Aktualisiert: 2019-12-04
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Die Forschungsarbeiten der im DeLIZ-Projekt beteiligten Einrichtungen hatten das Ziel, großserientaugliche Prozesse und Anlagentechnik zur Fertigung von großformatigen Lithium-Ionen-Zellen zu evaluieren und weiterzuentwickeln sowie kurzfristig Kostensenkungspotenziale aufzuzeigen. Von Mai 2010 bis Juni 2011 erforschten und entwickelten 15 Wissenschaftler und 6 Techniker aus drei wissenschaftlichen Einrichtungen innovative Prozesse und Anlagentechnik zur Fertigung von großformatigen Lithium-Ionen-Zellen.Die vorliegende Broschüre fasst die Ergebnisse der Forschungsarbeiten zusammen, um das erarbeitete Wissen weiterzugeben und einer breiten Nutzung zuzuführen.
Aktualisiert: 2022-09-13
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