Post on 27-Mar-2022
UHRAUSWIRKUNGEN HOHER LADERATEN AUF
ALTERUNGSPROZESSE IN FAHRZEUGBATTERIEN
12/09/2019
EGBERT FIGGEMEIER
HELMHOLTZ INSTITUTE MÜNSTER (HI MS), IEK-12 & ISEA, RWTH AACHEN UNIVERSITY
WARUM DER HYPE?Batteries sind das Bindeglied zwischen Industrien
Quelle Frankfurter Allgemeine Zeitung 2018. :https://www.faz.net/aktuell/wirtschaft/schneller-schlau/schneller-schlau-woher-kommt-deutsches-oel-her-
infografik-15914568.html
Seite 327.09.2019
Rohöl Versorgung Deutschland2018
Konvergenz von Energieerzeugung und Mobilität
Batterien als zentraler Baustein!
TRENDS IN DER BATTERIEINDUSTRIETechnologiewandel in der Automobilindustrie am Horizont ….nicht hinter dem Horizont
Source: Avicienne Energy, 2017
Seite 427.09.2019
• Größere Stückzahlen, schnellere Assemblierung
• Kosten ist der alles entscheidende Faktor
• Zellpreise sind bei 100 €/kWh
• Größere Zellen (bis 150 Ah)
Speciality Commodity
TECHNOLOGIEWANDELAufregende Zeiten des Technologiewandels
Seite 527.09.2019
Erste Technology – „Verbrenner“
2. Technologie – „Stromer“
Zeit und Entwicklungsaufwand
Pro
dukt P
erf
orm
ance
Quelle: Clayton M. Christensen, „The Innovator´s Dilemma“, Harper Business, 2000.
Wir sind hier!
LITHIUM-IONEN-BATTERIEKundenerwartungen ??????????
Seite 627.09.2019
MarketM
iles p
er
hour
120
Market
Market
Mile
s
Seconds
2010 2015
2010 2015
2010 2015
300
10Kundensegment spielt entscheidende Rolle!
Schnellladefähigkeit in welchem Segment?
Market
Reichweite gegen Kosten
100 €/kWh
2010 2015
Driving Range
Top Speed
Acceleration
Price
LITHIUM-IONEN-BATTERIENFunktionsprinzip
Moritz Teuber, ISEA, RWTH Aachen University
Seite 827.09.2019
LITHIUM-IONEN-BATTERIENFunktionsprinzip
Seite 927.09.2019
Li
𝑒− 𝑒−Li
+𝑒−+𝑳𝒊+
Elektrolyt Anode
LiMC
Solid-Electrolyte-Interphase (SEI)
LiF
LiCO3
> 4 V: Zersetzung des Elektrolyten Passivierung!
LITHIUM-IONEN-BATTERIENLade-Entlade-Effizienz
Quelle: F. Aupperle, G. G. Eshetu, E. Figgemeier et al. Accepted in Ápplied Energy Materials, 2019.
Seite 1027.09.2019
0 100 200 300 400 500 600 700 8002.4
2.6
2.8
3.0
3.2
3.4
3.6
3.8
4.0
4.2
Pote
ntial (V
)
Capacity (mAh)
1 cycle
100 cycle
200 cycle
300 cycle
400 cycle
0 100 200 300 400 500 600 700 8002.4
2.6
2.8
3.0
3.2
3.4
3.6
3.8
4.0
4.2
Pote
ntial (V
)
Capacity (mAh)
1 cycle
100 cycle
200 cycle
300 cycle
400 cycle
0 100 200 300 40090
95
100
105
110
without TEOSCN
with TEOSCN
Coulo
mbic
Effic
iency (
%)
Cycles
0 100 200 300 400
300
400
500
600
700
800
without TEOSCN
with TEOSCNDis
charg
e C
ap
acity (
mA
h)
Cycles
a) b)
c) d)
• Lade-Entladeeffizienz > 99,999 %• >> 1000 Vollzyklen!• 0,0001 %: Nebenreaktionen,
Elektrolytabbau, Lithium-Verlust
Nebenreaktionen! 𝑒−
LITHIUM-IONEN-BATTERIENMechanische Arbeit
Seite 1127.09.2019
Li
𝑒− 𝑒−+𝑒−
+𝑳𝒊+
Elektrolyt AnodeSolid-Electrolyte-Interphase (SEI)
Einlagerung von Lithium in Graphit Volumenänderung!
Li
LITHIUM-IONEN-BATTERIENAlterung
Vetter, J., Novák, P., Wagner, M. R., Veit, C., Möller, K. C., Besenhard, J. O., Winter, M.... & Hammouche, A. (2005). Ageing mechanisms in lithium-ion
batteries. Journal of power sources, 147(1), 269-281. Pfrang, Figgemeier et al, Journal of Power Sources 392 (2018) 168–175.
Seite 1227.09.2019
Elektrochemisch- /
Chemische Alterung
Geometrische/mechanische
Alterung
Alterungsmechanismen
LITHIUM-IONEN-BATTERIEN
• NMC/Graphit
• 2.05 Ah nominale Kapazität
• 2012-2014: Intensive
Alterungsuntersuchungen
• Vollständig parametrierte Modelle (Porosität,
Elektrodendesign, Impedanz etc.)
• Projekt: E-Performance: Audi/RWTH
Alterung: Sanyo UR18650E
Source: Stefan Käbitz, Dissertation, RWTH Aachen Universität, 2016. ISEA.
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LITHIUM-IONEN-BATTERIENAlterung: Test Matrix – Sanyo UR18650E
Source: Stefan Käbitz, Dissertation, RWTH Aachen Universität, 2016
Seite 1427.09.2019
0 20 40 60 80 1000
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
DOD [%]
SO
C [%
]
T = 35 °CCycling1 C / 1 C
MECHANICAL AGEING IN LIBJelly Roll Expansion/Contraction
Seite 1527.09.2019
0 °
120 °
180 °
0 °
120 °
180 °
MECHANICAL AGEING IN LIBJelly Roll Deformation and Electrode Delamination
Pfrang, Figgemeier et al, Journal of Power Sources 392 (2018) 168–175
Seite 1627.09.2019
Deformationen Ablösung - Kathode ….Anode löst sich meistens bei der Öffnung
SCHNELL-LADUNG VON BATTERIEN
• Hohe Ströme + hohe Temperaturen beschleunigte „chemische“ Alterung:
• Beschleunigung Nebenreaktionen
• Abbau Elektrolyt
• Li-Verlust
• Kapazitätsverlust
• Hohe Ströme + niedrige Temperaturen Metallabscheidung Kapazitätsverlust&Sicherheitsrisiko
Auswirkungen Alterungsmechanismen
Quelle: Masterarbeit Carl Felix Weber, BatterieIngenieure GmbH, RWTH Aachen 2018.
Seite 1927.09.2019
Einfluss der Temperaturverteilung auf die Lebensdauer und
Alterung in kompakt verschalteten Lithium-Ionen-Batteriemodulen:
Zwei 5×5 (parallel) Batteriemodule bei 25 ℃ geladen/entladen
Ein Modul mit Luft gekühlt und ein Modul mit einer Flüssigkeit
direkt gekühlt
2027.09.2019
Quelle: Masterarbeit Carl Felix Braun, BatterieIngenieure GmbH, RWTH Aachen 2018.
SCHNELL-LADUNG VON BATTERIEN
LITHIUM-IONEN-BATTERIENTemperatureinfluss auf Alterung
2127.09.2019
Quelle: Masterarbeit Carl Felix Braun, BatterieIngenieure GmbH, RWTH Aachen 2018.
• Luftkühlung bei hohen Strömen führt
zu Temperaturgradienten in Modul
• Kapazitätsverluste der Zellen im
Inneren des Moduls signifikant höher
als außen
LITHIUM-IONEN-BATTERIENTemperatureinfluss auf Alterung
Quelle: Masterarbeit Carl Felix Braun, BatterieIngenieure GmbH, RWTH Aachen 2018.
Seite 2227.09.2019
• Zellen mit Flüssigkeit direkt gekühlt
• Deutlich gleichmäßigere
Temperaturverteilung
• Geringerer Kapazitätsverlust
Capacity fade comparison between two battery modules
Luftkühlung
Flüssigkühlung
LITHIUM-IONEN-BATTERIENAlterung und Sicherheit
Seite 2327.09.2019
L. Lu et al. / Journal of Power Sources 226 (2013) 272e288
Stabilitätsfenster ist noch
kleiner als das
Sicherheitsfenster
Stabilitätsfenster bestimmt
den Business Case
Das Sicherheitsfenster
bestimmt die Anwendung
Tem
pera
tur
Nebenreaktionen/Thermal Runaway
Lithiummetall-Abscheidung: Plating
SCHNELLLADEFÄHIGKEIT
• Bauform der Zelle
• Auslegung der Zellchemie
• Optimale Temperierung
Was kann getan werden?
Seite 2427.09.2019
BATTERIEZELLBAUFORMENRundzellen / Zylindrische Zellen
■ Große Erfahrungen mit dem Zelldesign
■ Gute Lebensdauererlebnisse
■ „Kleinteilig“: Hoher Assemblierungsaufwand
■ Lieferanten u.a. Sony, Saft, GAIA, A123, Panasonic
■ Beispiel Fahrzeuge: Tesla
„Pouch-Bag“-Zellen („Coffee Bag“)
■ Sehr gute Kühlungseigenschaften
■ Hohe Energiedichten möglich
■ Herausforderung: Dichtigkeit der Schweißnähte
■ Lieferanten u.a. Kokam, LG
■ Beispiel Fahrzeuge: iPace, Renault Zoe, e-Smart
Prismatische Zellen
■ Hohe volumetrische Energiedichte in Packs
■ Einfache Assemblierung für Fahrzeuge
■ Kühlung schwierig
■ Kombiniert Eigenschaften der zylindrischen und der Pouch-Bag Zellen
■ Lieferanten u.a. Panasonic, Samsung, LG
■ Beispiel Fáhrzeuge: VW eGolf,
LITHIUM-IONEN-BATTERIEN
HOCH-ENERGIE VERSUS HOCH-LEISTUNG VS LANGLEBIGKEIT
• Hoch-Leistung: Hohe elektrische und
ionische Leitfähigkeit, höhere Porosität,
niedrigerer Anteil Aktivmaterial, kleine
Elektrodendicken.
• Hoch-Energie: Hoher Anteil
Aktivmaterial in Gewichts- und
Volumen% niedriger Anteil
Leitfähigkeitsadditiv, niedrige Porosität
• Langlebigkeit: Auswahl Kathode, viel
Binder
LIB – TRENDS
• Nano-Materialien ermöglichen aufgrund
der großen Oberflächen hohe Ströme
• Nano-Materialien leiden unter hohen
Raten der unerwünschten
Nebenreaktionen Degradation!
• Publizierte Daten reichen oft nicht zur
realistischen Einschätzung der
Anwendbarkeit aus
Nanomaterialien für hohe Leistungsdichten
Quelle: Chem. Rev. 2014, 114, 11444−11502
Seite 2727.09.2019
Nano kann allein das Problem nicht lösen!
ZUSAMMENFASSUNG
• Reversibilität, Langzeitstabilität, Preis, Energiedichte etc.: Lithium-Ionen-Technologie wird lange Zeit dominant
sein!
• Chemische und mechanische Effekte spielen bei der Alterung eine Rolle
• Temperatur ist der entscheidende Parameter….nicht der einzige….
• Schnellladefähigkeit erhöht Durchschnittstemperatur in den Zellen: Chemische Alterung
Pfrang, Figgemeier et al, Journal of Power Sources 392 (2018) 168–175
Seite 2827.09.2019