AnaLiBa - Analytik an Lithium-Ionen-Batterien

Abstract

Ziel des AnaLiBa-Projektes war die gemeinsame Methodenentwicklung eines standardisierten Probenhandling-Prozesses für die Analytik an Lithium-Ionen-Zellen mithilfe von Accelerating Rate Calorimetern (ARC), Gaschromatographie (GC) und Massenspektrometrie (MS). Im Teilvorhaben des KIT, IAM-AWP wurde erstens ein System zur Gasprobenentnahme entwickelt und damit Experimente in einem Druckbehälter innerhalb des Messraums des ARC an verschiedenen Zellformaten und mit verschiedenen Abuse-Methoden (thermischer Abuse mittels Heizfolie, Überladung, Nageltest, Crushtest) durchgeführt. Durch Wiederholung der Experimente wurde der Nachweis erbracht, dass sowohl der Verlauf der Experimente als auch die dabei nachgewiesenen Gasspezies für verschiedene Abuse-Szenarien im EV+ ARC wiederholbar und reproduzierbar sind. Zweitens wurde eine neue Methode entwickelt, die die am IAM-AWP etablierten großen Accelerating Rate Calorimeter (EV+ ARC) mit der vom ICT ins Projekt eingebrachten Massenspektrometrie zu einer ARC-MS-Methode koppelt und so die Operando-Charakterisierung von exothermen Reaktionen und der dabei involvierten Gase während der Zellöffnung (Venting) oder des Thermal Runaways ermöglicht. Die Zelle wird bei der entwickelten Methode in der Glovebox aufgebohrt und mit einem Septum wiederverschlossen, das in einer speziellen Haltevorrichtung vor Versuchsbeginn mit der Kapillare durchstoßen wird, die mit dem Online-MS verbunden ist. Gemeinsam mit dem Partner ZSW wurde in einer umfangreichen Studie zur Auswirkung der Parameter in den Heat-Wait-Seek (HWS)-Experimenten im ARC nachgewiesen, dass die Heizleistung der Heizer im Kalorimeter und die Starttemperatur einen signifikanten Einfluss auf die Onset-Temperatur, bei der die ersten exothermen Reaktionen vom Kalorimeter gemessen werden, haben. Diese optimalen Parameter wurden in einen Workflow für ARC-Messungen aufgenommen, da sie im Rahmen der Genauigkeit der Kalorimeter an beiden Instituten vergleichbare Ergebnisse ermöglichen. Mit diesen Parametern wurde die Auswirkung unterschiedliche Alterungsparameter bei der zyklischen Alterung auf die kritischen Sicherheitsparameter von 21700 Zellen untersucht. So konnte gezeigt werden, dass sich mit den im Workflow festgelegten Parametern Alterungsmechanismen detektieren lassen. Weiter wurden vier unterschiedliche Typen von 21700 Zellen im Neuzustand (LFP, NMC, NCA High Energy, NCA High Power) mittels des HWS-Tests verglichen. Bis auf die LFP-Zellen konnte für alle Zelltypen eine Abhängigkeit der kritischen Parameter vom Ladungszustand nachgewiesen werden. Je höher der Ladungszustand, desto niedriger sind die kritischen Temperaturen. Datei-Upload durch TIB