OSLiB - Online Sicherheitsbewertung von Lithium-Ionen-Systemen im Betrieb

Abstract

Im Projekt „Online Sicherheitsbewertung von Lithium-Ionen-Systemen im Betrieb“ (OSLiB) sollten von der Zelle bis hin zum System sicherheitskritische Zustände für Lithium-Ionen-Batterien evaluiert werden. Die Arbeiten starteten ausgehend von eigens gefertigten Zellen mit abweichenden Produktionsparametern, wie z.B. unvollständiger Elektrolytbenetzung oder fehlerhafter Elektrodenpositionierung, um alterungsbedingte Effekte in Zellen nachzubilden, die in der Anwendung sicherheitsrelevante Auswirkungen, wie Lithiummetall-Deposition, nach sich ziehen. Gemeinsam mit als Referenz dienenden kommerziellen Zellen sollten Diagnoseverfahren geprüft werden, um etwaige Auswirkungen fehlerbehafteter Zellen und Module zu erfassen. Das FZJ trug im Wesentlichen dazu bei, angewandte Diagnoseverfahren mit NMR-basierter chemischer (Zell-)Analyse möglichst quantitativ zu validieren. Die vereinbarten Produktionsmängel bei Zellfertigung und verschiedenen Methoden der Projektpartner konnten dabei erfolgreich auf NMR-Dünnfilmzellen übertragen werden. Erste Prototypen von NMR-Dünnfilmmodulen wurden etabliert und die vereinbarten Fehler entsprechend integriert. Die jeweiligen Lithiummetallmengen über einen Batterielebenszyklus bei verschiedenen Ladearten konnten in-situ beobachtet und quantifiziert werden. Auch wurden die Evolution der Morphologie sowie der Reversibilität des Li-Inventars betrachtet. Die in-situ Quantifizierung der auf Graphit abgeschiedenen Lithiummetallmengen stellte eine deutliche Herausforderung dar, jedoch konnten die Projektziele und Meilensteine mit geringen Abweichungen erfüllt werden, einschließlich der Quantifizierung des abgeschiedenem Li-Metalls und der Anteile an nicht-reversiblen „Totlithium“. Damit konnten diagnostische Methoden auf Zell und Modulebene erfolgreich zur Bewertung sicherheitsrelevanter Auswirkungen abweichender Produktionsparameter validiert und prinzipiell für andere Metall-basierte Zellchemie(n) zugänglich gemacht werden.