Abschlussbericht des Teilvorhabens des KIT, IAM-AWP im Projekt: Batteriegasungs-Modellierung (BatgasMod)

Abstract

Im Kern des Projektes BatgasMod stand die Modellierung der Zersetzung des Batterieelektrolyten und der damit verbundenen Gasbildung im Laufe der Batterienutzung durch Alterungsprozesse. Die dazu notwendige Parametrierung und Validierung erfolgte im Teilvorhaben des KIT, IAM-AWP durch elektrochemisch-kalorimetrische Untersuchungen. Der Referenzelektrolyt war ein Gemisch von Ethylencarbonat (EC) und Ethylmethylcarbonat (EMC) im Verhältnis 3:7 mit dem Leitsalz LiPF6. Zur Untersuchung des Einflusses der Additive auf die Gasbildung wurden 5 wt. % Vinylencarbonat (VC) bzw. 5 wt. % Fluorethylencarbonat (FEC) zugegeben. Zunächst wurden jeweils 8 Zellen jedes Typs, die vom Partner MEET unformiert geliefert wurden (5 Ah Pouchzelle: MEET-Zelle) und danach jeweils 50 Zellen jedes Typs, die vom Hersteller LiFun trocken geliefert wurden (1 Ah Pouchzelle: LiFun-Zelle), formiert. Es wurden als Erstes thermodynamische Parameter der Zellkomponenten und der Zellen im Ausgangszustand als Eingangsparameter für die Modellierung bestimmt. Mithilfe der DSC gelang es den Temperaturbereich für die Wärmekapazität von EC und EMC deutlich gegenüber dem aktuellen Stand der Literatur zu erweitern. Als Zweites wurde der Einfluss der Additive auf die Formierung und die kalendarische Alterung sowie sicherheitskritische Zustände (z.B. Überhitzung, Überladung) untersucht. Die formierten Zellen wurden zur Untersuchung der kalendarischen Alterung bei den Ladezuständen (SoC100, SoC80, SoC30 und SoC5) und drei verschiedenen Temperaturen (25 °C, 45 °C, 60 °C) gelagert und in regelmäßigen Zeitabständen elektrochemisch charakterisiert. Bei den MEET-Zellen wurde eine hohe Selbstentladung der Zellen ohne Additive festgestellt, die sich auf ein Zersetzungsprodukt des Klebstoffs Polyethylenterephthalat, aus dem das Klebeband zur Befestigung des Zellstapels besteht, zurückführen ließ. Zudem zeigten die Zellen mit FEC eine stärkere Alterung als die mit VC, insbesondere bei hohen Ladezuständen. Die Tests an den LiFun-Zellen zeigen über 4 Monate für alle Zellen nur eine geringe Selbstentladung für SoC100 und SoC80. Des Weiteren wurden an ausgewählten ungealterten Zellen im Accelerating Rate Calorimeter Heat-Wait- Seek- und Überlade-Tests zur Untersuchung der Zellsicherheit durchgeführt. Als Drittes wurden die ermittelten Wärmekapazitäten mittels der Software Thermo-Calc in die thermodynamische Modellierung eingebracht. Sowohl für EC als auch für EMC konnte eine gute Übereinstimmung mit den eigenen Messdaten und den Literaturdaten erreicht werden. Anschließend wurde die thermodynamische Modellierung auf weitere Carbonatsysteme ausgedehnt. Es wurden für alle aus Batterieelektrolyten bekannten Carbonat-basierten Lösemittel die Dampfdruckkurven und die binären Phasendiagramme modelliert, was einen ersten Meilenstein für das bessere Verständnis der Elektrolyte und ihrer Zersetzung im Laufe des Batterielebens darstellt. Datei-Upload durch TIB