Modellierung und experimentelle Charakterisierung des Degradationsverhaltens durch Lithium-Plating an Lithium-Ionen-Zellen unter automobilen Betriebsbedingungen

Schnellladungen und Laden im Tieftemperaturbereich zählen zu den größten Herausforderungen in der Batterietechnologie. Lithium-Ionen werden unter ungünstigen Betriebsbedingungen metallisch (sog. Lithium-Plating) auf der Anodenoberfläche abgeschieden. Der Einsatz von elektrochemischen Modellen ermöglicht die Bewertung der Einflussgrößen auf diesen Degradationseffekt und demzufolge die Ableitung von unkritischen und optimierten Ladestrategien.

Anhand einer automobilen Lithium-Ionen-Zelle wird in dieser Arbeit ein elektrochemisches Modell aufgesetzt und über einen breiten Temperaturbereich mittels der Impedanzspektroskopie parametriert und umfassend im Zeitbereich validiert. Experimente an Vollzellen stellen die Einflüsse der Betriebsparameter Ladestrom, Temperatur und Ladekapazität auf die Alterung dar. Es zeigen sich teilweise reversible Effekte von Lithium-Plating, mit welchen Modellvorstellungen zur Reversibilität abgeleitet werden.

Empirisch bestimmte Degradationswerte werden mit dem simulierten Anodenpotential, welches unter die kritische Grenze von 0 V vs. Li/Li+ fällt, korreliert. Anhand des Potentials werden in einer Simulationsstudie unkritische Ladeströme als Funktion der Temperatur und des Ladestands als Parameter für das Battery Management System ermittelt.

Eine Modellreduktion des elektrochemischen Modells, durchgeführt in einer Kooperationsarbeit, ermöglicht den unmittelbaren Einsatz auf dem Steuergerät. Damit kann im Betriebsfall direkt auf das Potential geregelt werden. Die Quantifizierung von lokalen Abscheidungseffekten in der großflächigen Zelle erfolgt durch Kopplung mit einem 3D-elektrothermischen Modell. Zur Abbildung der reversiblen Effekte wird das elektrochemische Modell um die bei der Lithium-Abscheidung auftretenden Nebenreaktionen erweitert.