Kompensation von Druckschwankungen im Inneren von Batteriezellen (KoDI)

Abstract

Im Projekt KoDI wurde die Problemstellung einer inhomogenen Druckverteilung aufgrund der Zellatmung von Lithium-Ionen-Batterien durch eine prototypische Umsetzung von Druckkompensationsmechanismen und dem gleichzeitigen Aufbau eines teilautomatisierten Fertigungsdemonstrators adressiert. Für eine Optimierung von Lithium-Ionen-Batteriezellen wurden und werden fortlaufend neue Elektrodenmaterialien erforscht, die eine höhere Energiedichte, eine verbesserte Schnellladefähigkeit, höherer Sicherheit und elektrochemische Performance bieten können. Dies sind unter anderem Hochenergieelektroden aus Siliziumkompositen oder reine Lithium-Metall Anoden, die in zukünftigen Batteriezelltechnologien Anwendung finden. Es bestehen jedoch Herausforderungen für einen stabilen, zyklischen Langzeitbetrieb dieser neuen Materialien, da für diese teilweise sehr hohe Volumenänderungen während der Lade- und Entladezyklen auftreten. Während auf Elektrodenebene beispielsweise durch Anpassung der Kompositzusammensetzung an der Gewährleistung der mechanischen Stabilität der Elektroden bei gleichzeitiger Maximierung der Energiedichte geforscht wurde und wird, fokussierten sich zum Zeitpunkt des Projektbeginns keine Forschungen/Arbeiten auf die Auswirkungen der sich aufsummierenden Volumenänderungen auf die Zell- und Modulebene. Für bisherige Systemaufbauten mit nahezu starren Gehäusen und Einspannungen resultieren aus diesen Volumenänderungen Druckschwankungen im Inneren der Zellen, die zur Degradation der Elektrodenmaterialien führen und die interne Kontaktierung beeinträchtigen können. Diese Druckschwankungen können durch eine angepasste Systemgestaltung mit Aufbringung einer flächigen, homogenen Druckverteilung auf die Zellen verhindert werden. Ziel des Projekts KoDI war daher eine Erforschung der Anpassungsbedarfe auf Zell-, Modul- und Systemebene durch eine methodische Entwicklung und prototypische Umsetzung von Kompensationsmechanismen für die Volumenänderung der Zellen. Darüber hinaus war besonders eine Funktionsvalidierung mit eigens entwickelten Prüfsystemen im Fokus.