Batteriegasungs-Modellierung Themenfeld A: Sicherheit und Performance, Schwerpunkt A1 - Modellbildung zur Sicherheit (BatGasMod)

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Description

Die Gewährleistung einer dauerhaft hohen Leistungsfähigkeit von Lithium-Ionen-Batterien (LIB) im Langzeitbetrieb erfordert das perfekte Zusammenspiel der aufbauenden Komponenten, wie Elektroden, Elektrolyt, Separator und Stromableitern. Beim Laden und Entladen, aber auch schon bei der initialen Batterieformierung, finden jedoch umfangreiche Materialreaktionen statt, die das Verhalten der Batterien nachteilig beeinflussen können. Diese Effekte müssen für den regulären aber auch den irregulären Gebrauch der Batterien sehr genau bekannt sein. Nur auf dieser Grundlage kann ein Produkt entwickelt und in Serie hergestellt werden, das den hohen technischen Ansprüchen gerecht wird. Über lange Zeiträume hinweg soll die LIB die Betriebsbelastungen möglichst ohne Alterungseffekte und damit verbundene Leistungsverluste überstehen. Gleichzeitig muss die Batteriesicherheit gewährleistet sein (kein Ausgasen toxischer Stoffe, keine Entflammung oder Bersten/Explosion). Beim heutigen Stand der Technik können jedoch hohe elektrische Zyklenzahlen, Überladen und Schnellladen, zumal bei wechselnden Temperaturbedingungen, die Langzeit-Performance der LIB stark herabsetzen. Für die Zellalterung spielen die Reaktionen des flüssigen Elektrolyten eine maßgebliche Rolle und stehen im Focus dieses Projektes. Der Elektrolyt ist eine Mischung aus organischen Lösungsmitteln, einem Leitsalz und gegebenenfalls Additiven. Er zeigt im dauerhaften Zellbetrieb bei ständig variierenden Betriebszuständen komplexe innere chemische Reaktionen und damit verbunden auch Abdampfungen. Darüber hinaus reagiert der Elektrolyt mit dem Elektrodenmaterial bereits bei der Formierung (SEI-Bildung, Solid Electrolyte Interface) und besonders bei höheren Temperaturen im Batteriebetrieb. Hierbei bilden sich Reaktionsprodukte, die die Leistungsfähigkeit der Batterie herabsetzen können. Damit ist der Elektrolyt ein Hauptalterungsfaktor der Batterie. Ziel dieses Projektes ist es daher, die Zersetzung des Batterieelektrolyten im Laufe der Batterienutzung und die Auswirkungen auf die Alterung zu verstehen. Für die Material- und Zell-Untersuchungen wird der Flüssig- Elektrolyt (LiPF6-EC:DMC) kombiniert mit den Elektrodenmaterialien NMC622 und Graphit sowie den Additiven VC (Vinylene Carbonate) und FEC (Fluoroethylene carbonate). Für die Analyse und Vorhersage des Alterungsverhaltens werden anwendungsorientierte Modellierungen auf Material-, Zell- und Batterieebene vorgenommen. Hierzu werden Elektrolyt-Alterungsmodelle und thermodynamische Modelle entwickelt und kombiniert. Es werden insbesondere die chemischen Veränderungen der Elektrolyten berücksichtigt und die Reaktionspfade in den Modellen implementiert. Für den Modellaufbau und die Validierung werden Ergebnisse aus experimentell-analytischen Untersuchungen der eigenen Arbeiten und der Literatur herangezogen. Es werden Pouch-Zellen hergestellt, formiert und durch elektrochemisches Zyklieren bei unterschiedlichen Temperaturen gezielt gealtert. Die hierbei ablaufenden Änderungen der chemischen Elektrolyt- und SEI-Zusammensetzungen werden systematisch untersucht. Hierzu werden Verfahren wie die Raman-Spektroskopie, Gaschromatographie-Massenspektrometrie (GC-MS), Ionenchromatographie-Massenspektrometrie (IC-MS) oder Glimmentladungsspektroskopie verwendet. Die freiwerdenden Gasphasen werden durch GC-MS analysiert. Kalorimetrische Verfahren (Accelerating Rate Calorimetry (ARC), Dynamische Differenzkalorimetrie (DSC), Tian-Calvet-Kalorimetrie) werden eingesetzt, um die bei den Material- und Zellreaktionen auftretenden Wärmeeffekte und den gleichzeitigen Gasdruckaufbau quantitativ zu ermitteln. Durch die Kombination von Modellierungen mit physikalisch-chemischen Analysen können die Reaktionsmechanismen effizient aufgeklärt werden.