Operando-Methoden der Diagnose und Laderegelung von Lithium-Ionen-Batterien

Titelangaben

Katzer, Felix:
Operando-Methoden der Diagnose und Laderegelung von Lithium-Ionen-Batterien.
Bayreuth , 2023 . - VIII, 143 S.
( Dissertation, 2023 , Universität Bayreuth, Fakultät für Ingenieurwissenschaften)
DOI: https://doi.org/10.15495/EPub_UBT_00007171

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Abstract

Für die Erreichung der Pariser Klimaziele und die damit verbundene Reduzierung von Treibhausgasen,
ist die Elektrifizierung des Individualverkehrs von entscheidender Bedeutung. Um die Attraktivität batterielektrischer
Kraftfahrzeuge zu steigern, gilt es, deren Lebenserwartung zu erhöhen, die Kosten zu
senken und die Schnellladefähigkeit zu verbessern. Das Schnellladen von Lithium-Ionen-Batterien wird
hauptsächlich durch den Degradationsmechanismus der Lithium-Metallabscheidung an der graphitischen
Elektrode begrenzt. Dabei geht zyklisierbares Lithium verloren, was zu beschleunigter Alterung
führt und deshalb verhindert werden sollte. Ziel dieser Arbeit ist es, das Verständnis dieses Mechanismus
zu erweitern und operando Detektionsmethoden zu entwickeln, welche sich für den Einsatz in
einem Batteriemanagementsystem eignen. Dafür müssen diese Methoden sensitiv, zuverlässig, robust
und automatisierbar sein. Um die Einsatzmöglichkeit in einer technischen Anwendung zu demonstrieren,
wird eine Methode in eine Laderegelung implementiert und im Rahmen einer Langzeitstudie
getestet.
Die Detektion erfolgt auf Grundlage von Anomalien in Spannung und Impedanz. In umfangreichen
Experimenten werden eine Vielzahl von Zellen kritisch und unkritisch geladen, dementsprechend mit
und ohne induzierte Lithium-Metallabscheidung. Ziel ist es, das Polarisationsverhalten für beide Fälle
zu studieren und Methoden zur Diagnose abzuleiten. Es werden introspektive und retrospektive
Detektionsmethoden entwickelt, welche Lithium-Metallabscheidung während und nach der Ladephase
identifizieren. Zunächst wird das Verhalten bei unkritischen Ladephasen charakterisiert und Anomalien
anhand einer signifikanten Abweichung von diesem Verhalten identifiziert. Zur Referenz wird die
Coulomb-Counting-Methode verwendet. Hierbei wird die ge- und entladene Ladungsmenge mit hoher
Genauigkeit gemessen. Ein Überschuss der geladenen Ladungsmenge diagnostiziert irreversible
Ladungsverluste, die aufgrund der experimentellen Durchführung der Arbeit primär auf LM zurückgeführt
werden können.
Der Fokus liegt auf der Analyse der Impedanz, da deren gezielte Frequenzanregung die Untersuchung
einzelner Transportprozesse zulässt und somit i) die physikochemische Interpretation des Zellverhaltens
vereinfacht und ii) die Sensitivität erhöht wird. Zu diesem Zweck werden die verwendeten Zellen
mittels Charakterisierungsmethoden im Frequenzbereich untersucht, um die Anregungsfrequenzen relevanter
Transportprozesse zu identifizieren. Alle Methoden werden sowohl an kommerziellen Voll- als
auch an graphitischen Halbzellen angewendet. Die Experimente an Letzteren sollen sicherstellen, dass
die Anomalien an der Elektrode auftreten, an welcher der Degradationsmechanismus stattfindet. Mit
der impedanzbasierten retrospektiven Methode wird eine adaptive Laderegelung umgesetzt, welche
den Ladestrom in Abhängigkeit des Detektionsergebnisses im Rahmen einer Langzeitstudie regelt. Die
Alterungsanalyse der Zellen erfolgt mittels Kapazitätsmessung, elektrochemischer Impedanzspektroskopie
und differentieller Spannungsanalyse.
Es wurden zwei retrospektive und eine introspektive Detektionsmethode entwickelt, die sich für den
Einsatz in einem Batteriemanagementsystem eignen. Die Sensitivität der etablierten, retrospektiven
Methode der differentiellen Spannungsanalyse wurde mittels Modellunterstützung erhöht, sodass
bei einem irreversiblen Ladungsverlust von lediglich 0,064% der Nennkapazität die Lithium-
Metallabscheidung zu 97% detektiert wird. Der Vorteil dieser Methode ist deren Einfachheit, da keine
zusätzlichen Sensoren benötigt werden. Mit der retro- und introspektiven Impedanzanalyse wurden die
Prozesse identifiziert, welche am stärksten durch Lithium-Metallabscheidung betroffen sind. Die Impedanzrelaxationsmethode
wurde erfolgreich in eine Laderegelung implementiert, womit im Vergleich zu
konventionellen Ladeverfahren eine deutliche Reduktion der Ladedauer, bei marginal beschleunigter
Alterung, erzielt wurde. Die Langzeitstudie zeigt, dass die Sensitivität der Methode so weit gesteigert
wurde, dass Lithium-Metallabscheidung detektiert wird, bevor irreversible Alterung auftritt. Für
die introspektive Impedanzanalyse wurde die Sensitivität noch weiter gesteigert. Da diese Methode
die Detektion während der Ladephase ermöglicht, kann sie auch für Online-Laderegelungen eingesetzt
werden.

Abstract in weiterer Sprache

The electrification of private transport is crucial for achieving the climate goals of the Paris Agreement
and the associated reduction of greenhouse gases. In order to increase the attractiveness of batteryelectric
vehicles, it is necessary to increase the life expectancy of lithium-ion batteries, reduce their
costs and improve their fast-charging capability. The latter is mainly limited by the degradation mechanism
of lithium deposition, which occurs at the graphitic electrode. In this process, cyclable lithium
is lost, leading to accelerated ageing and should therefore be prevented. This work aims to extend the
understanding of this mechanism and to develop operando detection methods suitable for use in a
battery management system. For this purpose, these methods must be sensitive, reliable, robust and
must work automatically. To demonstrate the possibility of use in a technical application, one detection
method will be implemented in a charging control system and tested in a long-term study.
Detection is based on anomalies in voltage and impedance. In extensive experiments, a large number of
cells are charged critically and non-critically, accordingly with and without induced lithium deposition.
The aim is to study the polarisation behaviour for both cases and to derive methods for diagnosis.
Introspective and retrospective detection methods are developed to identify lithium deposition during
and after the charging phase. First, the behaviour during non-critical charging phases is characterised
and anomalies are identified based on a significant deviation from this behaviour. For reference, the
coulomb-counting method is used. Here, the amount of charged and discharged charge is measured with
high accuracy. An excess of the charged charge quantity diagnoses irreversible charge losses, which can
be primarily attributed to LM due to the experimental conditions in this work.
The focus lies on the analysis of impedance as the targeted frequency excitation allows the investigation
of individual transport processes, and thus i) simplifies the physicochemical interpretation of cell
behaviour and ii) increases sensitivity. Therefore, the used cells will be investigated by characterisation
methods in the frequency domain to identify the excitation frequencies of relevant transport processes.
All methods will be applied on both commercial full cells and graphitic half cells. The experiments on
the latter ensure that the anomalies occur at the electrode where the degradation mechanism takes
place. The impedance-based retrospective method is used for adaptive charge control, which controls
the charge current as a function of the detection result in a long-term experiment. The degradation
analysis of the cells is carried out using capacity measurement, electrochemical impedance spectroscopy
and differential voltage analysis.
Two retrospective methods and one introspective detection method are developed, which are suitable
for use in a battery management system. The sensitivity of the state-of-the-art, retrospective method of
differential voltage analysis is increased by means of model support, so that with an irreversible charge
loss of only 0.064 % of the nominal capacity, lithium deposition is detected with a probability of 97 %.
The advantage of this method is its simplicity as no additional sensors are needed. With retro- and
introspective impedance analysis, the processes most affected by lithium deposition are identified. The
impedance relaxation method is successfully implemented in a charging control system, resulting in
a significant reduction in charging time compared to conventional charging methods, with marginally
accelerated ageing. The long-term study shows that the sensitivity of the method is increased to such
an extent that lithium metal deposition is detected before irreversible ageing occurs. For introspective
impedance analysis, the sensitivity is increased even further. Since this method enables detection
during the charging phase, it can also be used for online charging controls.