Dissection and quantitative description of aging of lithium-ion batteries using non-destructive methods validated by post-mortem-analyses

  • Sezierung und quantitative Beschreibung der Alterung von Li-Ionen-Batterien mittels zerstörungsfreier Methoden validiert durch Post-Mortem-Analysen

Lewerenz, Meinert; Sauer, Dirk Uwe (Thesis advisor); Eichel, Rüdiger-Albert (Thesis advisor)

Aachen : Institut für Stromrichtertechnik und Elektrische Antriebe (ISEA) (2018)
Buch, Doktorarbeit

In: Aachener Beiträge des ISEA 110
Seite(n)/Artikel-Nr.: 1 Online-Ressource (iv, 139 Seiten) : Illustrationen, Diagramme

Dissertation, RWTH Aachen University, 2018

Kurzfassung

In dieser Doktorarbeit wurden über 50 zylindrische LiFePO4|Graphit Zellen mit einer Kapazität von 8 Ah mittels mehrerer nicht-zerstörerischer Methoden analysiert und anschließend mit Post-Mortem-Analysen validiert. Das Ziel dieser Analysen ist es, die Kapazitäts- und Leistungsverluste in bestimmte, dominierende Alterungseffekte zu unterteilen. Hierzu gehören verschiedene irreversible Alterungsmechanismen wie beispielsweise die Formierung der Solid-Electrolyte-Interphase (SEI), das Brechen von Partikeln, Lithium Plating oder die Ablagerung von Übergangsmetallen.Neben den irreversiblen Kapazitätsverlusten sind auch reversible Effekte beobachtbar.Als reversibler Verlust bzw. Gewinn konnte der Fluss von aktivem Lithium von und zum Anodenüberstand identifiziert werden. Ein weiterer reversibler Effekt wurde in der Homogenität der Lithiumverteilung gefunden (HLD), die mittels der Peakhöhen innerhalb der differentiellen Spannungsanalyse (DVA) messbar ist. Die HLD ist dabei ein Maß für die SOC Verteilung innerhalb der Zelle bei der Ladung bzw. der Entladung. Eine Erhöhung oder Verringerung der HLD führt zu einer höheren oder geringeren Menge an entnehmbaren Lithiums aufgrund der Limitierung an den Spannungsgrenzen. Darüber hinaus führt passiviertes Lithium Plating zu irreversiblen Kapazitätsverlusten. Es ist assoziiert mit der Entstehung von massiven, dichten Deckschichten, die verhindern, dass Lithium-Ionen diese passieren können. Dies führt zu einer zusätzlichen Erhöhung des Verlustes an aktivem Lithiums, das innerhalb der deaktivierten Aktivmaterialien gefangen ist. Dies ist augenscheinlich an der deutlich erhöhten Steigung des Kapazitätsverlustes und des Innenwiderstandes erkennbar. Die Entstehung der Deckschicht kann neben der DVA mit Hilfe der Kapazitätsdifferenzmethode (CDA) gemessen werden, die in der Arbeit das erste Mal vorgestellt wurde. Sie beschreibt den lateralen Fluss von Lithium-Ionen zwischen passiver und aktiver Elektrode und ist nützlich um massives Lithium Plating zu erkennen. Ein weiterer irreversibler Effekt ist der Verlust von Anodenaktivmaterial (LAAM) für Zellen, die von 0-100% SOC zykliert wurden. Die Ergebnisse legen nahe, dass die Verluste inhomogen über der Zelle verteilt sind, wobei sie an Orten mit geringem Gegendruck besonders ausgeprägt sind. Moderate LAAM führt nicht direkt zu Kapazitätsverlusten der Vollzelle. Nur wenn die dekontaktierten Partikel geladen sind, zeigt sich ein messbarer Einfluss auf die entnehmbare Kapazität. Hinsichtlich Temperatur ist der Hauptalterungsmechanismus, neben der SEI-Formierung, die Fe Ablösung von der Kathode und der darauffolgenden Ablagerung auf der Anode. Die Ablagerung auf der Anode führt zu einer steigenden SEI Formierung und zu einem Verschließen der Graphitporen. Der Schwellwert für die Fe-Ablösung konnte auf 45-50 °C bestimmt werden.

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