Elektrische und mechanische Verfahren zur Detektion von Alterungseffekten in Lithium-Ionen-Batterien

Bauer, Marius

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Marius Bauer

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Original title:: Elektrische und mechanische Verfahren zur Detektion von Alterungseffekten in Lithium-Ionen-Batterien
Translated title:: Electrical and mechanical methods for the detection of aging effects in lithium-ion batteries
Author:: Bauer, Marius
Year:: 2017
Document type:: Dissertation
Faculty/School:: Fakultät für Elektrotechnik und Informationstechnik
Advisor:: Jossen, Andreas (Prof. Dr.)
Referee:: Jossen, Andreas (Prof. Dr.); Danzer, Michael A. (Prof. Dr.)
Language:: de
Subject group:: ELT Elektrotechnik
Keywords:: Lithium-Ionen-Batterien
Translated keywords:: Lithium-ion batteries
TUM classification:: ELT 972d
Abstract:: Für den kommerziellen Erfolg von Elektrofahrzeugen mit Lithium-Ionen-Speichern spielen die Schnellladefähigkeit, sowie die Lebenserwartung des Speichers eine große Rolle. Degradationseffekte, welche durch die Belastung der einzelnen Zellen mit hohen Strömen – insbesondere in Laderichtung – verursacht werden, sind aus diesem Grunde von großer Relevanz. Basierend auf messbaren Effekten im mechanischen und elektrischen Verhalten der Zellen, werden in der vorliegenden Arbeit Detektionsmethoden für solche Degradationseffekte entwickelt, untersucht und bewertet. Darüber hinaus werden die durch Überlastungen der Zellkinetik hervorgerufenen Effekte modelliert und hierdurch eine Prädiktion kritischer Zustände ermöglicht. Zunächst werden Verfahren zur retrospektiven Alterungsanalyse behandelt. Der Fokus liegt dabei auf einer Methodik zur detaillierten Auswertung des Zusammenhanges zwischen dem irreversiblen Anstieg von Polarisationseffekten im Betrieb mit dem im Verlauf der Zyklisierung beobachteten Kapazitätsverlust. Es wird gezeigt, dass das Verhältnis der Polarisationszunahme zum simultanen Kapazitätsverlust bei niedertemperaturgetriebenem Alterungsgeschehen (Lithium-Plating dominant) wesentlich kleinere Werte annimmt als bei hochtemperaturgetriebener Alterung (Schichtwachstum und Nebenreaktionen dominant). Basierend auf dieser Beobachtung lassen sich sichtbare Alterungseffekte in die Kategorien Tieftemperaturgetrieben und Hochtemperaturgetrieben einordnen und darüber hinaus der in einzelnen Betriebsphasen dominante Alterungsmechanismus nachträglich bestimmen. Im Rahmen der Diskussion wird der Fokus auf die Beschreibung des Übergangsbereiches zwischen den genannten Temperaturdomänen gelegt und dabei nachgewiesen, dass das Einsetzen von Lithium-Plating zu niedrigen Temperaturen hin einer abrupteren Charakteristik unterliegt, als auf Grundlage einer empirischen Modellierung mit dem Arrhenius-Ansatz zu erwarten wäre. Desweiteren werden bekannte Ansätze zur In-situ-Detektion von Alterungsprozessen bewertet und neue Methoden vorgestellt. Im Gegensatz zur retrospektiven Alterungsanalyse, zielen die Methoden der In-situ-Detektion auf den Nachweis unmittelbarer Auswirkungen von Degradationsprozessen binnen kurzer Messzeiten ab und sind daher mit Blick auf die Implementierung in Batteriemanagementsystemen von besonderer Relevanz. Der Schwerpunkt liegt in dieser Arbeit auf der Analyse von Multiphaseneffekten. Dabei handelt es sich um Anzeichen im Dilatations- und Spannungsverhalten der Zellen, die auf die Bildung überschießender Graphitphasen aufgrund kinetischer Überlastung der Zellen hindeuten. Möglichkeiten zur Nutzbarmachung dieser Effekte für die Einschätzung der Strombelastbarkeit graphitischer Anoden werden aufgezeigt. Schließlich wird die Ausbildung überschießender Graphitphasen und die damit einhergehende inhomogene Lithiierung der Graphitelektrode mithilfe einer geeigneten Modellstruktur abgebildet. Darauf aufbauend wird ein Klemmenspannungsmodell mit nichtlinearer Dynamik eingeführt, welches die Simulation der Multiphaseneffekte in der Spannungsantwort erlaubt. Ein Beispiel hierfür ist die Wiedergabe der in der Relaxationsphase nach Ladeschritten mit Lithium-Plating sichtbaren Potentialplateaus. Das Modell berechnet zu diesem Zweck in jedem Zeitpunkt eine ortsaufgelöste Repräsentation der Lithiierung längs der Porenstruktur der Graphitelektrode. Auf dieser Basis kann zu jedem Zeitpunkt der Simulation der Anteil des metallisch abgeschiedenen Lithium in der Graphitelektrode bezogen auf den gesamten Lithiuminhalt bestimmt werden. Zuletzt wird dies für die Implementierung eines modellbasierten Stromreglers genutzt, der in der Lage ist, Lithium-Plating auf einen vordefinierten Wert zu begrenzen.
Translated abstract:: Fast charging capabilities as well as the lifetime of the energy storage device are crucial for the commercial success of electric vehicles with lithium-ion battery systems. Therefore, it is important to limit degradation effects caused by high current loads on a cell level – particularly in charging mode. In this work, dilation- and voltage-based methods for the detection of such degradation effects are developed, analyzed and evaluated. Additionally, the voltage effects induced by kinetic limitations in the graphite anode at high currents are modeled allowing for a prediction of critical overload. First, methods of retrospective aging analyses are investigated. Herein, the focus is on a technique for analyzing the relation of irreversible polarization increase and capacity loss during the operation of lithium-ion cells. It is demonstrated that the ratio of the polarization increase to the simultaneous capacity fade is significantly lower for low-temperature-driven aging (lithium-plating) than for high-temperature-driven aging (layer growth, side-reactions, etc.). Based on this observation, degradation effects visible in test data can be ascribed to the categories high-temperature-aging is dominant and low-temperature-aging is dominant. In the discussion of the results, emphasis is placed on describing the transition region between the temperature domains. In particular, it is shown that the onset of lithium plating is more abrupt than expected based on empirical modeling with the Arrhenius equation. Moreover, common approaches for in-situ-detection of degradation processes are evaluated and new methods are introduced. In contrast to the retrospective aging analyses, methods of in-situ-detection are intended to provide immediate evidence of degradation processes with short measurement time. Thus, they are well suited for implementation in battery management systems. In this work, the main focus is on analyzing multi-phase effects caused by the formation of overshooting phases in graphite during high-rate lithiation or delithiation. The multi-phase effects show up both in the dilation response and the voltage response to high current loads. They provide a means to detect critical overload of graphite anodes. Finally, the formation of overshooting graphite phases along with the resulting effects of inhomogeneous lithiation are modeled with an equivalent-circuit-based model structure. Using this structure for the anode model, a full cell model with nonlinear dynamics is introduced and parametrized using a set of test data. The model is capable of simulating the multi-phase effects in the voltage response, particularly the voltage plateaus visible in relaxation phases after lithium-plating. Internally, this is achieved by a spatially resolved calculation of lithiation degrees along the porous structure of the graphite electrode. Based on that, it is also possible to calculate the share of plated lithium in the anode at every point of time during the simulation. Lastly, this is used to demonstrate the implementation of a model-based current controller which allows to limit the amount of lithium-plating to a predefined value.
WWW:: https://mediatum.ub.tum.de/?id=1349733
Date of submission:: 08.03.2017
Oral examination:: 17.10.2017
File size:: 7741756 bytes
Pages:: 144
Urn (citeable URL):: https://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:91-diss-20171017-1349733-1-8
Last change:: 07.11.2017
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