Kompensation von Druckschwankungen im Inneren von Batteriezellen (KoDI)

Abstract

Im Projekt KoDI wird die Problemstellung der inhomogenen Druckverteilung aufgrund der Zellatmung durch die prototypische Umsetzung von Druckkompensationsmechanismen und dem gleichzeitigen Aufbau eines teilautomatisierten Fertigungsdemonstrators gelöst. Die methodische Entwicklung eines fertigungsgerechten Lösungskonzeptes für die Druckkompensation auf Basis definierter und in einem Pflichtenheft dokumentierter Zielwerte bildet den ersten Arbeitsschwerpunkt. 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. The KoDI project addresses the problem of inhomogeneous pressure distribution due to cell respiration through the prototypical implementation of pressure compensation mechanisms and the simultaneous development of a semi-automated production demonstrator. The first focus of the project is the methodical development of a production-ready solution concept for pressure compensation based on defined target values documented in a specification sheet. To optimise lithium-ion battery cells, new electrode materials are being and will continue to be researched that can offer higher energy density, improved fast-charging capability, greater safety and electrochemical performance. These include high-energy electrodes made of silicon composites or pure lithium metal anodes, which will be used in future battery cell technologies. However, there are challenges for stable, cyclic long-term operation of these new materials, as some of them undergo very high volume changes during charging and discharging cycles. While research has been and continues to be conducted at the electrode level, for example by adjusting the composite composition to ensure the mechanical stability of the electrodes while maximising energy density, no research/work focused on the effects of cumulative volume changes at the cell and module level at the time the project began. In previous system designs with virtually rigid housings and clamps, these volume changes result in pressure fluctuations inside the cells, which can lead to degradation of the electrode materials and impair internal contacting. These pressure fluctuations can be prevented by adapting the system design to apply a flat, homogeneous pressure distribution to the cells. The aim of the KoDI project was therefore to investigate the adaptation requirements at cell, module and system level through the methodical development and prototypical implementation of compensation mechanisms for the volume change of the cells. In addition, the focus was particularly on functional validation using specially developed test systems.