Sicherheit und Betriebsstrategien Lithium-basierter Batterien - Dendriten und SEI-Wachstum auf metallischem Lithium

Abstract

Im Rahmen des vorliegenden Forschungsprojekts wurde die Entwicklung einer Simulationssoftware für elektrochemische Energiespeicher mit metallischem (met.) Lithium- (Li-) Elektroden angestrebt. Ziel des Projektes war es, die aus den experimentellen Verfahren gewonnenen empirischen Erkenntnisse und Parameter zur Modellierung dieser Prozesse auf physikalisch-elektrochemischer Basis zu verwenden. Met. Li-Elektroden besitzen aufgrund ihrer, im Vergleich zu derzeitigen Energiespeichern, höheren theoretischen Energie- und Leistungsdichten ein hohes Marktpotenzial für die Zulieferer von Elektrofahrzeug- und Batterieherstellern. Wesentliche Merkmale der met. Li-Elektroden sind dabei das Wachstum einer Schutzschicht zwischen Elektrode und Elektrolyt (Solid Electrolyte Interphase, SEI) sowie das Wachstum von nadelförmigem Li beim Zyklisieren (Dendriten). Das Wachstum der SEI führt zu erhöhtem Innenwiderstand und damit zur Abnahme der Zellleistung bis hin zum Versagen. Die Dendriten stellen aufgrund des potentiellen Durchdringens des Separators bis zum Kurzschluss mit der Gegenelektrode ein ernsthaftes Sicherheitsrisiko dar. Daher war die Motivation dieses Projekts das Dendriten- und SEI-Wachstum zu simulieren. Die implementierte Software kann mit Hardware-in-the-Loop (HiL) Testständen zur Verifizierung von Algorithmen in Batteriemanagementsystemen (BMS) verknüpft werden um damit die teuren, zeitaufwendigen und unzureichend reproduzierbaren Tests mit realen Batterien zu ersetzen. Dies kann die F&E Aktivitäten erleichtern und die Vermarktung dieses Batterientyps eventuell beschleunigen. Voraussetzung für die Entwicklung des mathematischen Modells der neuen Energiespeicher war die experimentelle Analyse des Dendritenwachstums und des Wachstums der SEI. Daher wurde im vorliegenden Projekt das Li-Dendritenwachstum auf met. Li in situ mittels einer optischen Lichtmikroskopiezelle bei unterschiedlichen Stromdichten untersucht. Des Weiteren wurden Li-Dendriten bei unterschiedlichen Stromdichten in einer symmetrischen Li/Li-Zelle erzeugt und am Rasterelektronenmikroskop (REM) charakterisiert. Das SEI-Wachstum wurde mittels elektrochemischer Impedanzspektroskopie (EIS) sowohl im zeitlichen Verlauf bei unterschiedlichen Temperaturen ohne Strombeaufschlagung als auch während der Zyklisierung in einer symmetrischen Li/Li-Zelle analysiert. Als weitere Untersuchungsmethode zur Untersuchung des SEI-Wachstums kam eine elektrochemische Quarzmikrowaage (EQCM) zum Einsatz. Dabei wurde über die Frequenzänderung eines Quarzmikrokristalls die Massenänderung der SEI charakterisiert. Mit den experimentellen Daten wurde das Dendriten- und SEI-Wachstum mathematisch modelliert. Als Grundlagenmodell wurde die Batteriesimulationssoftware BaSiS des Fraunhofer IEE verwendet und für die met. Li-Elektroden erweitert. Diese Software ist mit Newman-Modellen gestaltet und wurde für das Li-Ionen-System und für die Blei-Säure-Batterie erfolgreich entwickelt und umgesetzt. Im Newman-Ansatz werden Transportvorgänge innerhalb des Elektrolyten über die Theorie der konzentrierten Lösungen und den Transport in porösen Materialien beschrieben [1]. Daher bietet die Software eine Einsicht auf die dynamischen Zustände in den Batterien. Im Projekt wurde das zeit- und ortsaufgelöste Dendritenwachstum erfolgreich implementiert. Das SEI-Wachstum wurde wegen der geringeren Schichtdicke jedoch nur eindimensional berücksichtigt. Datei-Upload durch TIB