Untersuchung der Alterung von Lithium-Ionen-Batterien mittels Elektroanalytik und elektrochemischer Impedanzspektroskopie

  • Investigation of the aging of lithium-ion batteries using electroanalysis and electrochemical impedance spectroscopy

Käbitz, Stefan; Sauer, Dirk Uwe (Thesis advisor); Tübke, Jens (Thesis advisor)

Aachen (2016)
Doktorarbeit

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2016

Kurzfassung

Die Möglichkeiten der elektrochemischen Impedanzspektroskopie an Energiespeichern sind zu vergleichen mit der Aufnahme eines Elektrokardiogramms (EKG) am Herzen. Es ist nicht möglich, allein anhand eines EKG die Funktionsweise des Herzens zu verstehen. Mit dem grundlegenden Verständnis seiner Funktion und der damit verknüpften Signale ist das EKG dennoch eine der wichtigsten Verfahren zur Diagnose der Herzfunktion. Ebenso hat die elektrochemische Impedanzspektroskopie (EIS) das Potential, eine Vielzahl von Alterungseffekten und Fehlfunktionen in elektrochemischen Energiespeichern zu diagnostizieren.Neben einigen nachweislich mit einzelnen Alterungseffekten korrelierenden Größen zeigt sich, dass über viele Alterungseffekte Uneinigkeit in der Literatur hinsichtlich der Auswirkung auf das elektrochemische Impedanzspektrum herrscht. Es wird in dieser Arbeit gezeigt, dass die modellbasierte Kopplung vergleichsweise einfacher physikalischer Prozesse bereits eine Vielzahl von Erscheinungsformen im EIS hervorrufen kann. Dies erschwert die eindeutige Zuordnung physikalischer Prozesse zu den beobachteten elektrochemischen Impedanzspektren.So lange aber das grundlegende Verständnis der Auswirkungen einzelner Alterungsprozesse auf die EIS unbekannt ist, ist sie in ihren Möglichkeiten stark eingeschränkt. Diese Arbeit unternimmt einige Schritte hin zu einer vollständigeren Beschreibung der Alterungseffekte in Lithium-Ionen-Batterien und ihrer Auswirkungen auf die EIS in Kombination mit weiteren elektroanalytischen Verfahren. Sie stellt eine umfassende Studie der an Vollzellen zerstörungsfrei messbaren elektrochemischen Eigenschaften dar, die bei verschiedenen Alterungsbedingungen auftreten. Hierbei kommen gängige Verfahren wie die Methode der verteilten Relaxationszeitkonstanten (DRT) und auch neue Verfahren der Differenzenbildung von Spektren (D-EIS) zum Einsatz. Die Auswirkungen der Alterung auf Prozesse mit langsamen Zeitkonstanten werden mittels der differentiellen Spannungsanalyse der Entladekurven (DVA) untersucht.Im experimentellen Teil dieser Arbeit wird eine komplexe Testmatrix ausgewertet, die die Abhängigkeit der Alterung der Zellen, bei einer Prüfdauer von mehreren Jahren, von verschiedenen Entladetiefen und mittleren Ladezuständen aufzeigt. Die dabei gewonnenen Erkenntnisse über die Veränderung der elektrochemischen Eigenschaften werden hinsichtlich ihrer Übertragbarkeit auf einen anderen Zelltyp überprüft. Hierbei kommen auch Halbzellen zur Beschreibung der Elektrochemie einzelner Elektroden und mikroskopische Methoden zum Einsatz.