Alterung und Post-Mortem Analysen von Lithium-Ionen-Zellen - Seminar / Kurs von Haus der Technik e.V.

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.

Im ersten Teil werden generelle Aspekte der Batteriealterung besprochen, gefolgt von der Methodik und Workflows für Post-Mortem-Analysen basierend auf aktueller Literatur sowie Beispielen aus dem Laboralltag. Speziell wird auf die unterschiedlichen Analysemethoden (u.a. REM, EDX, ICP, GD-OES, CT, ...) sowie deren physikalisch-chemische Prinzipien eingegangen. Besonderes Augenmerk wird darauf gelegt, welcher Alterungsmechanismus mit welcher Methode detektiert werden kann.

Im zweiten Teil werden bekannte Alterungsmechanismen besprochen (z.B. Li Plating, SEI-Wachstum, Gasbildung, Partikelbrüche, Elektrodenverformung, Pore Clogging, Kontaktverlust in den Elektroden, ...). Es wird beispielhaft auf Mechanismen für unterschiedliche Materialkombinationen (Graphitanoden, Si/C Kompositanoden, NMC, NCA) eingegangen.

Abschließend werden Möglichkeiten aufgezeigt, wie sich die Lebensdauer von Lithium-Ionen-Zellen gezielt verlängern lässt, z.B. optimierte Schnellladeverfahren. Weiterhin wird auf Sicherheitsaspekte in Second-Life Anwendungen eingegangen. Es werden außerdem erste Einblicke in Zellöffnungen von frühen kommerziell erhältlichen Natrium-Ionen-Zellen gegeben.

Die gezeigten Seminarinhalte basieren auf eigener Erfahrung (seit 2011) 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.