Automotive
- Michael Graef
Die erste Langstreckenfahrt von Bertha Benz muss als eine der bedeutendsten Pioniertaten in der Geschichte des Automobils gewertet werden.
Im ersten Teil werden generelle Aspekte der Batteriealterung besprochen, gefolgt von der Methodik der Post-Mortem-Analysen basierend auf aktueller Literatur sowie Beispielen aus dem Laboralltag. Besonderes Augenmerk wird daraufgelegt, welcher Alterungsmechanismus mit welcher Methode detektiert werden kann.
Im zweiten Teil werden bekannte Alterungsmechanismen besprochen.
Abschließend werden Möglichkeiten aufgezeigt, wie sich die Lebensdauer von Lithium-Ionen-Zellen gezielt verlängern lässt. Die gezeigten Seminarinhalte basieren auf eigener Erfahrung des Referenten sowie auf der aktuellen Literatur.
Zum Thema
Teure Batterien im Fahrzeug und auch in der stationären Anwendung sollen möglichst lange funktionieren, d. h. nur wenig an Kapazität einbüßen. Die Lebensdauer von Lithium-Ionen-Zellen ist limitiert durch Alterungsmechanismen auf Materialebene. Diese können durch Zellöffnungen und anschließende Materialcharakterisierung (sog. Post-Mortem-Analysen) aufgeklärt werden. Sind die Alterungsmechanismen für einen Zelltyp bekannt, können Gegenmaßnahmen ergriffen werden um die Lebensdauer gezielt zu verlängern. Durch die Lebensdauerverlängerung und ggf. eine Weiternutzung in einer weiteren Anwendung (Second-Life Anwendung) kann die Nachhaltigkeit weiter gesteigert und die Ressourcenabhängigkeit verringert werden. Zudem werden erste Einblicke in kommerzielle Natrium-Ionen-Zellen gegeben.
Zielsetzung
Das Seminar vermittelt einen Überblick zum Stand der Technik bei der Alterung und den Alterungsmechanismen von kommerziellen Lithium-Ionen-Zellen. Möglichkeiten zur Verbesserung der Batterielebensdauer basierend auf optimalen Betriebsfenstern, Schnellladeverfahren und Zelldesigns werden erläutert und Einblicke in Post-Mortem Analysen gegeben.
Teilnehmerkreis
Seit der Markteinführung der Lithium-Ionen-Batterien hat sich die Energiedichte durch stetige Weiterentwicklung ungefähr verdreifacht. Diese Entwicklung ist momentan noch nicht abgeschlossen, so dass die Energiedichte weiter ansteigen wird. Mit der Zeit wurden andere Materialen verwendet, damit änderten sich auch die Hauptalterungsmechanismen, also die Hauptgründe auf Material- und Elektrodenebene für den Kapazitätsverlust und Innenwiderstandsanstieg. Beispielsweise werden heutzutage in kommerziellen Zellen zunehmend Silizium/Graphitanoden eingesetzt.
Bei aktuellen Lithium-Ionen-Zellen tritt oft das Wachstum der Solid-Electrolyte-Interphase (SEI)-Schicht auf der Anode auf. Das SEI Wachstum konsumiert zyklisierbares Lithium und führt so zu Kapazitätsverlusten und zum Anstieg des Innenwiderstands. Beim Laden bei tiefen Temperaturen dominiert der Alterungsmechanismus Lithium-Plating, bei dem Lithiummetall auf der Anode abgeschieden wird, das dann mit Elektrolyt abreagiert oder elektrisch dekontaktiert wird. Lithium-Plating kann zu sehr schneller Alterung führen.
Umgebungsbedingungen können die Alterung von Lithium-Ionen-Zellen stark beeinflussen. Beispielsweise führen steigende Temperaturen bei der kalendarischen Alterung im Allgemeinen zu schnellerer Alterung. Schnellladen kann beispielsweise zu lokalen Lithiumabscheidungen auf der Anode führen, die die Alterung beschleunigen. Wenn diese Abhängigkeit der Alterungsmechanismen von den Umgebungsbedingungen für einen Zelltyp bekannt ist, kann diese genutzt werden, um die Lebensdauer zu verlängern.
In PKWs kann davon ausgegangen werden, dass das Fahrzeug die meiste Zeit geparkt wird, d.h. es kommt vor allem zu kalendarischer Alterung. Bei LKWs ist dies umgekehrt, so dass der zyklische Anteil (Ladung und Entladung) einen größeren Teil einnimmt als die kalendarische Alterung.
Die verwendeten Materialen bzw. die Zellchemie aber auch die daraus hergestellten Elektroden haben einen großen Einfluss auf die Alterung. Beispielsweise können Elektrolytadditive eingesetzt werden, die die Gasbildung bei hohen Potentialen verringern.
Ladestrategien haben einen starken Einfluss auf die Alterung und können den Alterungsmechanismus Lithium-Plating vermindern bzw. verhindern. Dies ist durch die Verhinderung von negativen Anodenpotentialen vs. Li/Li+ in 3-Elektrodenvollzellen möglich. Aus Messungen mit solchen Zellen im Labor kann man optimale Ladestrategien und Schnellladeprofile auch für größere Zellen ableiten. Solche optimierten Ladeprofile können die zyklische Lebensdauer der Batteriezellen stark erhöhen und so zu mehr Nachhaltigkeit beitragen.
Die Überwachung/Diagnose von Batterien in Fahrzeugen ist sehr wichtig, da nur so ihr Alterungszustand bewertet werden kann. Der state-of-health (SOH) ist ein Maß für den Alterungsgrad einer Batterie, wobei 100% der Neuzelle entspricht. Während der Alterung nimmt der SOH kontinuierlich ab.
Zum einen können Batterien durch optimale Betriebsstrategien in einer Anwendung länger genutzt werden, da die Hauptalterungsmechanismen verlangsamt oder unterbunden werden. Zum anderen können Batterien in sogenannten Second-Life-Anwendungen eine weitere Verwendung finden, bevor sie recycelt werden. Weiterhin wird aktuell an Co-freien Kathodenmaterialen geforscht.
Das Seminar befasst sich mit den Themen Anforderungen an Prüfequipment von Lithium Ionen Batterien, Planung und Durchführung von Prüfungen von Akkus, Normen und den verschiedensten Prüfarten. Außerdem wird auf die Analyse der Messdaten und deren Bedeutung für die jeweilige Anwendung (Elektroauto, E-Busse, Hybridfahrzeug, Pedelecs, stationäre Speicher u.a.) eingegangen.
Die Anforderungen an die elektrischen und mechatronischen Funktionsweisen von Traktionsbatterien (Lithium-Ionen Batterien) werden vorgestellt. Sie erhalten wertvolle Hinweise, wie Sie entsprechende Batteriesysteme mit Li-Ionen Zellen auslegen und aufbauen.
Sie erhalten einen Überblick über die wichtigsten Batteriesysteme, ihre Funktionsart und ihre Anwendungen.
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