Alterung von Lithium-Ionen Batterien · Da Laden bzw. Entladen der Batterie somit immer...
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Institut für Werkstoffe der Elektrotechnik Prof. Dr.-Ing. Ellen Ivers-Tiffée Adenauerring 20 b 76131 Karlsruhe www.iwe.kit.edu KIT – Universität des Landes Baden-Württemberg und nationales Forschungszentrum in der Helmholtz-Gemeinschaft www.kit.edu Alterung von Lithium-Ionen Batterien Lithium ist ein vielversprechendes Anodenmaterial für Batterien für mobile elektrische Antriebe. Es zeichnet sich vor allem durch sein stark negatives Standardpotential bei gleichzeitig hoher theoretischer Ka- pazität aus. Beide Eigenschaften gemeinsam ergeben die für mobile Anwendungen so dringlich erforder- liche hohe Energiedichte. Dennoch wird metallisches Lithium aus Gründen der Sicherheit sowie der Zyklenfestigkeit in modernen Akku- mulatoren nur selten als Anode ver- baut, sondern liegt in beiden Elektro- den in sogenannten Interkalations- verbindungen vor. Dazu bestehen sowohl Anode als auch Kathode aus speziellen Wirts- materialien, in die je nach Ladezu- stand eine bestimmte Menge an Lithium eingelagert („interkaliert“) ist. (Abb.1) Abb. 1: Lithiumatome (blau), interkaliert zwischen die Atomlagen einer Graphit Anode (schwarz). Da Laden bzw. Entladen der Batterie somit immer gleichbedeutend ist mit einem Austausch von Lithium-Ionen zwischen den beiden Elektroden, spricht man im Allgemeinen von Lithium-Ionen Batterien. Während die Entwicklung der Mate- rialien für Anode und Kathode in den Bereich der Werkstoffwissenschaften bzw. der Chemie fällt, ist die elektri- sche Charakterisierung der Batterie bezüglich ihrer ohmschen sowie ihrer Polarisationsverluste im Aufgaben- bereich der Elektrotechnik anzusie- deln. Die messtechnischen Heraus- forderungen einer solchen Charakte- risierung sind hierbei enorm: Neben ausgeprägt nichtlinearem Verhalten der auf verschiedenen Zeitskalen ablaufenden elektrochemischen Pro- zesse (Abb.2) ist vor allem die Zeit- varianz des Systems „Batterie“ prob- lematisch. Abb. 2: Antwort eines linearen (a) und eines nichtlinearen (b) Messobjekts auf einen Strompuls endlicher Dauer. Ihr Wesen als Element zur Ladungs- speicherung bringt es mit sich, dass jegliches elektrisches Anregungssig- nal unweigerlich zu einer Änderung des Zustandes der Batterie führt und somit deren Eigenschaften, die zu messen das eigentliche Ziel war, bereits durch den Prozess der Mes- sung an sich verändert werden. Es ist folglich notwendig, geeignete Verfahren zu identifizieren bzw. weiterzuentwickeln, die neben sys- tematisch korrekter Gewinnung von Messdaten möglichst auch deren Validierung und geschickte Interpre- tation erlauben. Am IWE bereits etablierte Methoden wie Zeitbe- reichsmessverfahren, Kramers- Kronig Transformierbarkeitstests sowie die Methode der Verteilung der Relaxationszeiten (DRT) bilden hierfür eine ausgezeichnete Grundla- ge. Eine Kombination dieser neuartigen Mess- und Auswerteverfahren er- möglicht erstmals die Trennung der Gesamtverluste in einzelne physika- lisch motivierte Verlustprozesse, wodurch eine Untersuchung der alterungsbedingten Degradation der Batterie möglich wird. Die Beobach- tung der zeitlichen Entwicklung dieser Verlustprozesse gibt dabei Aufschluss darüber, wie diese im Einzelnen zur Gesamtdegradation beitragen. Gelingt die Erstellung und Verifizierung eines Batteriemodells, kann der Einfluss der Betriebsfüh- rung der Batterie auf ihre Alterung durch Verwendung unterschiedlicher Belastungsprofile untersucht werden. Zusätzlich zu den bereits bekannten, aber für Traktionsbatterien eher nachrangigen Empfehlungen für alterungsminimale Lagerung (Abb.3) können dann Empfehlungen für ei- nen alterungsminimalen Betrieb der Batterie abgeleitet werden. Ange- passt an ihren jeweiligen Verwen- dungszweck als Traktionsbatterie oder als Element zur Bereitstellung von Regelenergie für die Versor- gungsnetze (zum Ausgleich zeitlich schwankenden Einspeisung regenera- tiver Erzeuger) kann so die Lebens- dauer der Batterie maximiert werden. Abb. 3: Alterungsminimale Lagerung durch kontrollierte Temperaturbedingungen Interesse an diesem Thema? Dann kontaktieren Sie uns einfach und fragen nach zu vergebenden Studien- und Diplomarbeiten! INSTITUT FÜR WERKSTOFFE DER ELEKTROTECHNIK (IWE) FZU, Bau 50.40 Adenauerring 20 b 76131 Karlsruhe Tel. +49-721-608-7491 Fax +49-721-608-7492 http://www.iwe.kit.edu Ansprechpartner: Dipl.-Ing. Michael Schönleber Tel. +49-721-608-46484 [email protected]
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Institut für Werkstoffe der Elektrotechnik Prof. Dr.-Ing. Ellen Ivers-Tiffée Adenauerring 20 b 76131 Karlsruhe www.iwe.kit.edu
KIT – Universität des Landes Baden-Württemberg und nationales Forschungszentrum in der Helmholtz-Gemeinschaft www.kit.edu
Alterung von Lithium -Ionen Batterien
Lithium ist ein vielversprechendes Anodenmaterial für Batterien für mobile elektrische Antriebe. Es zeichnet sich vor allem durch sein stark negatives Standardpotential bei gleichzeitig hoher theoretischer Ka-pazität aus. Beide Eigenschaften gemeinsam ergeben die für mobile Anwendungen so dringlich erforder-liche hohe Energiedichte. Dennoch wird metallisches Lithium aus Gründen der Sicherheit sowie der Zyklenfestigkeit in modernen Akku-mulatoren nur selten als Anode ver-baut, sondern liegt in beiden Elektro-den in sogenannten Interkalations-verbindungen vor. Dazu bestehen sowohl Anode als auch Kathode aus speziellen Wirts-materialien, in die je nach Ladezu-stand eine bestimmte Menge an Lithium eingelagert („interkaliert“) ist. (Abb.1)
Abb. 1: Lithiumatome (blau), interkaliert zwischen die Atomlagen einer Graphit Anode (schwarz).
Da Laden bzw. Entladen der Batterie somit immer gleichbedeutend ist mit einem Austausch von Lithium-Ionen zwischen den beiden Elektroden, spricht man im Allgemeinen von Lithium-Ionen Batterien. Während die Entwicklung der Mate-rialien für Anode und Kathode in den Bereich der Werkstoffwissenschaften bzw. der Chemie fällt, ist die elektri-sche Charakterisierung der Batterie bezüglich ihrer ohmschen sowie ihrer Polarisationsverluste im Aufgaben-bereich der Elektrotechnik anzusie-
deln. Die messtechnischen Heraus-forderungen einer solchen Charakte-risierung sind hierbei enorm: Neben ausgeprägt nichtlinearem Verhalten der auf verschiedenen Zeitskalen ablaufenden elektrochemischen Pro-zesse (Abb.2) ist vor allem die Zeit-varianz des Systems „Batterie“ prob-lematisch.
Abb. 2: Antwort eines linearen (a) und eines nichtlinearen (b) Messobjekts auf einen Strompuls endlicher Dauer. Ihr Wesen als Element zur Ladungs-speicherung bringt es mit sich, dass jegliches elektrisches Anregungssig-nal unweigerlich zu einer Änderung des Zustandes der Batterie führt und somit deren Eigenschaften, die zu messen das eigentliche Ziel war, bereits durch den Prozess der Mes-sung an sich verändert werden. Es ist folglich notwendig, geeignete Verfahren zu identifizieren bzw. weiterzuentwickeln, die neben sys-tematisch korrekter Gewinnung von Messdaten möglichst auch deren Validierung und geschickte Interpre-tation erlauben. Am IWE bereits etablierte Methoden wie Zeitbe-reichsmessverfahren, Kramers-Kronig Transformierbarkeitstests sowie die Methode der Verteilung der Relaxationszeiten (DRT) bilden hierfür eine ausgezeichnete Grundla-ge. Eine Kombination dieser neuartigen Mess- und Auswerteverfahren er-möglicht erstmals die Trennung der Gesamtverluste in einzelne physika-lisch motivierte Verlustprozesse, wodurch eine Untersuchung der alterungsbedingten Degradation der Batterie möglich wird. Die Beobach-
tung der zeitlichen Entwicklung dieser Verlustprozesse gibt dabei Aufschluss darüber, wie diese im Einzelnen zur Gesamtdegradation beitragen. Gelingt die Erstellung und Verifizierung eines Batteriemodells, kann der Einfluss der Betriebsfüh-rung der Batterie auf ihre Alterung durch Verwendung unterschiedlicher Belastungsprofile untersucht werden. Zusätzlich zu den bereits bekannten, aber für Traktionsbatterien eher nachrangigen Empfehlungen für alterungsminimale Lagerung (Abb.3) können dann Empfehlungen für ei-nen alterungsminimalen Betrieb der Batterie abgeleitet werden. Ange-passt an ihren jeweiligen Verwen-dungszweck als Traktionsbatterie oder als Element zur Bereitstellung von Regelenergie für die Versor-gungsnetze (zum Ausgleich zeitlich schwankenden Einspeisung regenera-tiver Erzeuger) kann so die Lebens-dauer der Batterie maximiert werden.
Abb. 3: Alterungsminimale Lagerung durch kontrollierte Temperaturbedingungen
Interesse an diesem Thema? Dann kontaktieren Sie uns einfach und fragen nach zu vergebenden Studien- und Diplomarbeiten! INSTITUT FÜR WERKSTOFFE DER ELEKTROTECHNIK (IWE) FZU, Bau 50.40 Adenauerring 20 b 76131 Karlsruhe
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