Buch

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Übersicht

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Verlag	:	Sierke Verlag
Buchreihe	:	iPat-Schriftenreihe
Sprache	:	Deutsch
Erschienen	:	31. 03. 2021
Seiten	:	142
Einband	:	Kartoniert
Höhe	:	148 mm
Breite	:	210 mm
Gewicht	:	273 g
ISBN	:	9783965481022

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Produktinformation

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Die Abscheidung von metallischem Lithium (Li), sogenanntes Li-Plating, ist ein kritischer Alterungsmechanismus in Li-Ionen Zellen. Li-Plating tritt besonders bei tiefen Temperaturen und hohen Ladeströmen auf und führt zu einem rapiden Kapazitäts- beziehungsweise Leistungsverlust der Zelle. Zudem kann Li-Plating die Sicherheit von Li-Ionen Zellen negativ
beeinflussen. Folglich sollten die Betriebsbedingungen, unter denen Li-Plating auftritt, genau bestimmt und im regulären Betrieb strikt vermieden werden. Weiterhin ist Li-Plating eine große Herausforderung für die Modellierung und Simulation von Alterungsvorgängen in Li-Ionen Zellen. Gängige empirische Alterungsmodelle basieren auf beschleunigten Zelltests. Werden diese durch höhere Ladeströme, die im Betrieb im Normalfall nicht vorkommen, stark beschleunigt, so kann Li-Plating auftreten, was eine Übertragung dieser Tests für den realen Betrieb schwierig macht.
Im Rahmen dieser Arbeit wurden Alterungsversuche an automotiven Li-Ionen Zellen durchgeführt, um die Übertragbarkeit von beschleunigten Zelltests auf den realen Betrieb zu untersuchen, bei dem regelmäßige längere Standzeiten zu erwarten sind. Es wurde beobachtet, dass sich die Kapazität der Zellen in den Pausenzeiten signifikant erholen kann, wenn davon auszugehen ist, dass Li-Plating während der Zyklisierung zuvor aufgetreten ist. Neben dieser kurzfristigen Erholung zeigten Zellen, die während der Alterungstests regelmäßige Pausen hatten, eine langfristig geringere Alterung als Zellen, die ohne Pausen
betrieben wurden. Auf Basis dieser Untersuchungen wurde ein mikroskopisches Modell postuliert, welches das beobachtete Verhalten erklären kann. Dabei wird davon ausgegangen, dass auftretendes Li-Plating teilweise von einer elektronisch isolierenden Schicht umgeben wird, aber weiterhin mechanischen Kontakt zu den Anodenpartikeln hat. In Pausen können
Elektronen mit der Zeit die isolierende Schicht überwinden und so das immobilisierte Lithiummetall wieder reaktivieren. Dieses Verhalten sollte in Alterungsmodellen, die auf beschleunigten Zelltests basieren, unbedingt Berücksichtigung finden.
Um den Einfluss des Li-Platings auf das Alterungsverhalten beziehungsweise den Einfluss anderer Alterungsmechanismen auf das Li-Platingverhalten näher untersuchen zu können, wurden in dieser Arbeit neuartige 3-Elektrodenzellen entwickelt. Dazu wurden Aluminiumgitter mit Lithiumtitanat (LTO) beschichtet und in die Li-Ionen Zellen zwischen Anode und Kathode eingebracht. Das LTO fungiert als Referenzelektrode, mit der die Potentiale der Anode und Kathode unabhängig voneinander während des Betriebs der Zelle beobachtet werden können.
Die Beobachtung des Anodenpotentials während des Ladevorgangs gibt Aufschluss darüber, ob Li-Plating auftritt, da das Anodenpotential dazu unter 0V vs. Li/Li+ fallen muss. Dadurch lässt sich bestimmen, welcher maximale Ladestrom bei einer bestimmten Zelltemperatur und einem bestimmten Ladezustand maximal toleriert werden kann, ohne dass Li-Plating auftritt. Folglich lassen sich durch 3-Elektrodenmessungen optimierte Schnellladestromprofile ableiten, die Li-Plating vermeiden. Da LTO in der Zelle chemisch quasi inert agiert, können die 3-Elektrodenzellen analog zu regulären Zellen gealtert werden
und erlauben Aussagen über das Li-Platingverhalten der Zellen auch im gealterten Zustand. Mit Hilfe dieser 3-Elektrodenzellen wurde beobachtet, dass eine Alterung unter anspruchsvollen Bedingungen zu einer erhöhten Anfälligkeit für Li-Plating führen kann. Dagegen scheint es unter gemäßigten Betriebsbedingungen eine Art Einflaufphase zu geben, nach der die Zellen vorerst weniger anfällig für Li-Plating sind.The deposition of metallic lithium, so called lithium plating, is a critical aging mechanism in lithium ion cells. Lithium plating occurs mainly at low temperatures or due to high charging currents and leads to a rapid decrease in cell capacity and power. Moreover, lithium plating can negatively affect the safety of a lithium ion cell. Thus, operating conditions under which lithium plating can occur should be determined carefully and avoided during normal operation. Furthermore, lithium plating presents a major challenge for aging modeling and simulation of lithium ion cells. Common empirical aging models are based on accelerated cell tests. If these tests are accelerated by increasing the charging currents above the limits for normal operation, lithium plating can occur which makes it challenging to draw conclusions from these tests for cases where lithium plating is actively avoided.
In this thesis aging tests have been performed on automotive lithium ion cells to investigate the transferability of accelerated cycle tests to scenarios where regular longer rest periods are expected. It was observed that the cell capacity can increase significantly during rest periods. This behavior has been linked to the occurrence of lithium plating in the preceding cycles. In addition to this short term behavior cells which had regular rest periods during cycling showed overall longer life times compared to cells which were cycled without rest periods. Thus, a microscopic model is postulated to explain this effect. It is
assumed that repeatedly occurring lithium plating can be encapsulated by an electronically insulating layer but still remains in mechanical contact to the anode particles. During rest periods some electrons cross the insulating layer which reactivates the encapsulated lithium ions. This mechanism should be kept in mind when developing and parameterizing aging models.
In order to further investigate the influence of lithium plating on the aging behavior respectively the influence of other aging mechanisms on the lithium plating behavior, a novel 3-electrode cell design has been developed in this work. Thus, an aluminum mesh coated with lithium titanate (LTO) is inserted in between the anode and the cathode of lab sized lithium ion cells. The LTO acts as a reference electrode which allows the detection of the anode and cathode potentials independently during cell operation. The observation of the anode potential during charging gives insight into the lithium plating behavior since the anode potential has to fall below 0V vs. Li/Li+ before it can occur. Thus, the maximum charging current can be measured with respect to cell temperature and state of charge which just avoids lithium plating. Therefore, 3-electrode measurements allow the determination of an optimized charging current profile. Since LTO is chemically inert inside the cell, these 3-electrode cells can undergo aging tests like regular cells and allow insight into the lithium plating behavior even after aging. Using this, it
was found that aging under demanding conditions can lead to increased susceptibility to lithium plating. In contrast to this, aging under less challenging conditions appears to reduce the susceptibility for lithium plating at first.

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