INHALTSVERZEICHNIS

Inhaltsverzeichnis
1 E in f u k n g ........................................................................................................................................1
2 Gmndlagen........................................................................................................................................5
2.1· Lithium-Ionen Zellen.............................................................................................................. 5
2.1.1. Zellaufbau..........................................................................................................................6
2.1.2. Funktionsprinzip............................................................................................................... 8
2.1.3. Begriffsdefinitionen..........................................................................................................9
2.1.4. Untersuchte Zelltypen..................................................................................................... 10
2.2.
Alterungsmechanismen von Lithium-Ionen Zellen......................................................... 11
2.2.1· Physikochemische Alterungseffekte..............................................................................11
2.2.1.1. Alterungseffekte von Graphitanoden.........................................................................12
2.2.1.2. Alterungseffekte von Kathodenmaterialien.............................................................. 14
2.2.1.3. Solid Elektrolyte Interface......................................................................................... 16
2.2.1.4. Elektrische Kontaktverluste......................................................................................22
2.2.2. Auswirkungen von Betriebsweisen auf die Zellalterung.............................................23
2.2.2.1. Kalendarische Alterung.....................................................................................….…·23
2 .2 2 .2 . Zyklische Alterung.....................................................................................................26
2.2.2.3. Pfadabhängige Alterung........................................................................................... 30
2.23. F
a
z
i
t
.
........32
3 Methodisches Vorgehen................................................................................................................ 35
3.1. Messtechnische Anordnungen............................................................................................. 35
3.1.1. Strom-Spannungs-Messstand.......................................................................................36
3.1.2. Impedanz Spektroskopie-Messstand.............................................................................36
3.1.3. Messstände sur Dauemntersuchungen.......................................................................... 37
3.2. Zell-Charakterisierung.......................................................................................................... 37
3.2.1. Selbstentladung ⑴ .........................................................................................................38
3.2.2· Strom -Spa^ngs-Charakterisie^^ (2).......................................................................39
3.2.3. Kapazitätsmessung
3.2.4· Impulsmessungen
⑶
⑷
....................................................................................................39
......................................................................................................40
3.2.5. Elektrochemische Impedanz Spektroskopie (5 ).......................................................... 40
3.3. Auswertungsmethoden.........................................................................................................41
3.3.1. Spannungsdifferential.....................................................................................................41
3.3.2. Impulsmodellierung........................................................................................................ 42
3.3.3. EIS-Ersatzschaltbild.......................................................................................................43
3.3.4. DC-Widerstand............................................................................................................... 43
3.4. Physikochemische Rückschlüsse........................................................................................44
3.4· 1. Ohmscher Widerstand.................................................................................................... 45
3.4.3· Festköiperdifftision........................................................................................................ 46
3.4.4· Elektrodenkapazitäten.................................................................................................... 47
3.5. Untersuchungsmethoden..................................................................................................... 51
3.5.2. Kalendarische Alterung................................................................................................. 53
3.5.3. Zyklische Alterung (Konstante Belastungsprofile)......................................................53
3.5.4. Pfadabhängigkeit (Wechselnde Belastungsprofíle).....................................................54
4.1.
Initiale Alterungsphase.....................................................................................................57
4.1.1. Initiale Alterung durch Lagerung bei 50 ٠ c ................................................................ 61
4.1.2. Initiale Alterung durch Lagerung bei 70 ٠ c ............................................................63
4 .1.3. Initiale Alterung durch Zyklisierung mit verschiedenen C-Raten
65
4.1.4. Initiale Alterung durch Zyklisierung mit verschiedenen DODs
67
4.1.5. Initiale Alterung durch Zyklisierung bei verschiedenen SOCs ................................ 69
4.2.
Kalendarische Alterung·
,"73
4.2.2.
Lagerung bei ว 0 ٥c ....................................................................................................78
4.2.5.
Fazit
4.3.
Konstante Belastungsprofile (Zyklische Alterung)........................................................ 85
43.3.
4
4.4.
.…83
Zyklisierung mit unterschiedlichen
3 4 Fazit
soc .................................................................89
92
Variierende Belastungsprofile (Pfadabhängigkeit)........................................................ 93
4.4.1. Temperaturwechsel (Zyklisierung)............................................................................... 93
4.4.2. Strombelastungswechsel................................................................................................97
4.4.3. DOD-Wechsel............................................................................................................... 101
4.4.4· SOC-Wechsel (Lagerung)............................................................................................ 103
4.4.5· Lagerung-Zyklisierung (Hoher soc)...................................................................... 107
4.4.6· Lagerung-Zyklisierung (Tiefer soc)......................................................................... 109
4 4 7 Fazit.....................................................................
112
4.5.
Schlussfolgerungen
115
5 Alterungsoptimierte Betriebsstrategien...................................................................................... 117
5.1.
Batteriemodelle................................................................................................................. 117
5.1.1. Dynamisches Batteriemodell aus Impulsmessungen................................................. 117
5.1.2. Kalendarisches Alterungsmodell................................................................................. 118
5.1. 3 . Zyklisches Altemngsmodell........................................................................................ 123
5.1.4. Alterungsmodelle fìir variierende Betriebsweisen..................................................... 126
5.2· Betriebsstrategien................................................................................................................130
5.2.1· Wirkungsgradoptimierte Betriebsstrategien............................................................... 131
5.2.2.
Vorbehandlung während Initialphase...................................................................... 134
5.2.3· Systeminbetriebnahme..................................................................................................136
5.2.4. Betrieb........................................................................................................................... 139
5.2.5. Alterungsschonende Betriebsstrategie für LFP-Zellen.............................................. 142
6 Zusammenfassung & Ausblick................................................................................................... 143
Literaturverzeichnis......................................................................................................................... 147
川