Separation der Kathodenalterung in Lithium-Ionen-Batteriezellen mittels elektrochemischer Impedanzspektroskopie

Wünsch, Martin; Sauer, Dirk Uwe (Thesis advisor); Kurrat, Michael (Thesis advisor)

Aachen : ISEA (2019, 2020)
Buch, Doktorarbeit

In: Aachener Beiträge des ISEA 134
Seite(n)/Artikel-Nr.: 1 Online-Ressource (xvi, 177 Seiten) : Illustrationen, Diagramme

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2019

Kurzfassung

In der vorliegenden Arbeit sind drei unterschiedliche Zelltypen (Lithium-Ionen-Zellen) unterverschiedenen Bedingungen zyklisch gealtert worden. Hierbei handelt es sich speziell um3-Elektrodenzellen im Labormaßstab, automotive prismatische Zellen (PHEV2) sowie großformatige Pouchzellen, die ebenfalls im automotiven Sektor angewendet werden. Während der Alterung wurden bei unterschiedlichen Ladungs- und Alterungszuständen elektrochemische Impedanzspektren vermessen und spezielle Parameter abgeleitet. Die entsprechenden Alterungsphänomene konnten über eine Post-Mortem-Analyse (PMA) zugeordnet werden. Es wurden im Zuge der PMA vorrangig die optische Emissionsspektrometrie mittels induktiv gekoppeltem Plasma und die Raster-Elektronenmikroskopie verwendet. In Laborzellen mit einer Referenzelektrode aus Lithium wurde festgestellt, dass bei einer Zellchemie von NMC111 | Graphit der Kathodeneinfluss auf die gesamte Zellimpedanz maßgeblich ist. Anodenspektren sind vergleichsweise wenig sensitiv bezüglich des Ladungs- und Alterungszustandes der Zelle. Die Dynamik der Ladungstransferwiderstände (engl. Charge-Transfer-Resistance (CTR)) einer Gesamtimpedanz ist demnach von der Kathode dominiert und dient zur Bewertung des NMC-Zustandes. Mithilfe der Untersuchungsreihen an prismatischen Zellen konnte gezeigt werden, dass die Sensitivität des Ladungstransferwiderstandes auf größere Zellen im automotiven Formatübertragbar ist. Weiterhin dient der CTR zur Bewertung von Partikel-Cracking auf der Kathode und ist abhängig von der gewählten Temperatur und C-Rate während der Zyklisierung. Bei der zyklischen Alterung von Pouchzellen konnte ein maßgeblicher Einfluss der äußeren mechanischen Verspannung auf die Lebensdauer identifiziert werden. Des Weiteren wird ein Parameter aus dem Realteil der Impedanz abgeleitet, welcher ein optimales Verspannungskonzept von Batteriezellen frühzeitig erkennbar macht.

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